Circuitos Elétricos - Banco Internacional de Objetos Educacionais

Guia do Professor
Experimento
Circuitos Elétricos – Chuveiro
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Circuitos Elétricos – Chuveiro – Versão 2.0
IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 18 de agosto de 2009
Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia
- Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2009 – MEC e MCT
Caro Professor(a),
Esse guia visa apresentar o experimento produzido para trabalhar com a
temática “Corrente Elétrica”, assim como todos os outros recursos elaborados
para trabalhar com essa temática, os respectivos conteúdos abordados em cada
um deles e links e bibliografias pertinentes.
É importante mencionar que a utilização desses materiais deve seguir a sua
concepção de ensino e aprendizagem. No entanto, de maneira geral, eles foram
produzidos visando motivar o aluno a questionar e refletir sobre o tema em
questão, através de situações problematizadoras, em contextos curiosos e
instigantes para o aluno do Ensino Médio, possibilitando o aprendizado de uma
ciência mais contextualizada, com implicações tecnológicas e sociais.
- Mídias desenvolvidas sobre o tema “Corrente Elétrica”:
Para trabalhar com esse tema, foram desenvolvidas três mídias, que apesar de
estarem publicadas separadamente, poderão ser todas baixadas do Portal do
Professor para a sua máquina:
1. Vídeo – Circuitos Elétricos;
2. Software – Circuitos;
3. Experimento – Circuitos Elétricos - Chuveiro.
A seguir apresentaremos um quadro com os detalhamentos dessas mídias.
Mídias
Comentários
Vídeo
O vídeo trabalha o conceito de corrente elétrica a
partir de duas situações inusitadas e curiosas
vividas pelas equipes Vermelha e Azul, que têm
como missão buscar algo surpreendente usando o
conceito de corrente elétrica.
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A
equipe
Vermelha
é
convidada
estudar
o
eletrocardiograma (ECG) que é um exame médico
na área de cardiologia onde é feito o registro da
variação dos potenciais elétricos gerados pela
atividade elétrica do coração.
Já a equipe Azul, irá recarregar uma bateria
descarregada, pois a missão é colocar o carro
novamente para andar. Para isso trabalham com o
conceito de Alternador.
Software
Propõe
cenas
interativas
problematizando
o
conceito de circuitos elétricos em que o aluno pode
explorar exemplos de complexidade crescente e
questionamentos
que
permitem
analisar
os
exemplos já conhecidos. Dessa forma, o aluno vai
adquirindo os conceitos formais e refinando seus
pré-conceitos intuitivos a respeito de cada situação.
Experimento
Esse experimento leva o aluno a conhecer o
funcionamento do chuveiro elétrico: O que significa
a posição “verão” e “inverno” no chuveiro?
Os conceitos envolvidos
são corrente elétrica,
tensão, resistência, potência, quantidade de calor,
energia elétrica.
Cada uma dessas mídias possui um guia para auxiliá-lo no desenvolvimento das
atividades.
A seguir são disponibilizadas as informações específicas para o experimento
“Circuitos Elétricos – Chuveiro” onde é apresentado a você, professor, um
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detalhamento sobre todas as etapas do experimento, seus objetivos e formas
de o desenvolver em sua sala de aula.
Utilizando a versão html (site) do experimento
Segue um breve resumo de como o recurso está estruturado em sua versão
HTML (site):
Dados Gerais - apresenta as seguintes informações: série na qual
normalmente tal conteúdo é trabalhado, os assuntos relacionados, o tempo
previsto e os pré-requisitos para a execução do experimento, assim como os
objetivos que fundamentam sua aplicação.
Introdução - apresenta a fundamentação teórica dessa temática.
Condições de Segurança - é extremamente importante a você,
professor, por sugerir cuidados ao executar as etapas do experimento.
Procedimento - apresenta como desenvolver o experimento, quais os
materiais utilizados, assim como as etapas a seguir.
Orientações - traz orientações ao professor sobre a utilização, o
desenvolvimento e a aplicação desse material em sala de aula.
Questões – apresenta questões e respostas que podem ajudar no
embasamento teórico da aula. Estas questões estão dividas em três categorias:
questão prévia, que pode antecipar o experimento, questões relativas aos
resultados, questões para reflexão e discussão e questões desafios, que são
mais amplas e reflexivas relacionadas com o assunto.
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Sugestão
de
Interface
com
outras
disciplinas
–
apresenta
informações que possibilitam um trabalho interdisciplinar.
Informações Adicionais
-
traz
sugestões
de
links,
biografias
e
explicações complementares que complementam o trabalho realizado.
De professor para professor – vídeo que traz sugestões de um outro
professor, também do ensino médio, sobre o desenvolvimento do experimento
proposto.
Créditos – apresenta informações relativas a autoria do material, do
projeto Acessa Física e seus financiadores.
Guia do Professor – apresenta link para baixar este guia do professor
em formato PDF, possibilitando a utilização do recurso mesmo em situações
onde não seja possível o acesso a um computador. Para visualizar arquivos PDF
é necessário utilizar o Acrobat Reader. Caso não possua o programa nesta
sessão também é disponibilizado um link para baixá-lo.
Recursos Adicionais
Acessibilidade Visual - pensando na questão de conforto e
acessibilidade visual, o material possui a funcionalidade de aumento e
diminuição do tamanho da fonte.
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Impressão da página – permite a impressão de cada página do site
separadamente, oferencendo flexibilidade na utilização parcial do conteúdo com
seus alunos.
Ajuda – apresenta breve descrição de cada item do site.
Navegação Linear – apresentada no início e fim de cada
página, fornece uma forma linear de navegação pelo conteúdo do recurso,
percorrendo todas as sessões do site ordenadamente.
Segue o conteúdo completo do experimento para impressão e utilização do
mesmo em situações onde não seja possível o acesso a um computador.
Bom experimento!
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Home - Experimento
Circuitos Elétricos - Chuveiro
Questões Prévias
Para aquecer a água de um chuveiro são utilizados
resistores como mostra a figura. Na posição “verão” a
ligação seria entre que terminais? E na posição
“inverno”?
Circuitos Elétricos - Chuveiro
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Dados Gerais
Atividade: Circuitos Elétricos - Chuveiro.
Série escolar: 2ª e 3ª Séries do Ensino Médio.
Tema da atividade: Corrente elétrica e circuitos.
Assunto: Lei de Ohm, Associação de resistores, Funcionamento de um chuveiro
elétrico.
Tempo Previsto: Três aulas de 50 minutos.
Palavras-Chaves: Física no cotidiano, chuveiro elétrico, tensão, corrente
elétrica, resistência, potência, aquecimento.
Conceitos envolvidos: Corrente elétrica,
quantidade de calor, energia elétrica.
tensão,
resistência,
potência,
Pré-requisitos: A fundamentação teórica desenvolvida em sala de aula
envolvendo os conceitos necessários: a Lei de Ohm e associação de resistores.
O aluno deverá observar na sua casa a tensão e a potência do chuveiro e trazer
uma conta domiciliar de energia elétrica.
Objetivo
•
•
•
•
•
•
•
Demonstrar a relação entre a tensão e a corrente para resistores – Lei
de Ohm.
Associar resistores em série e em paralelo, medindo a resistência
equivalente à associação.
Verificar como varia a corrente e a tensão nas associações.
Determinar os valores da resistência elétrica do resistor de um chuveiro
nas posições inverno e verão.
Compreender o conceito de potência elétrica.
Compreender o funcionamento de um chuveiro elétrico.
Quantificar o consumo de energia elétrica domiciliar.
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Introdução
Neste experimento, são apresentadas sugestões ao professor para que seus
alunos verifiquem, na etapa inicial, a lei de Ohm experimentalmente; em
seguida, como a tensão e a corrente são distribuídas nos circuitos envolvendo
associações de resistores em série e em paralelo; e na etapa final, como os
conceitos das etapas anteriores estão envolvidos em aparelhos elétricos
domiciliares, por exemplo, o chuveiro elétrico.
Conceitos básicos tratados neste experimento:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Intensidade da corrente elétrica.
Diferença de potencial ou Tensão elétrica.
Resistência elétrica.
Lei de Ohm.
Potência elétrica.
Efeito Joule.
Condições de Segurança
•
•
A experiência com o chuveiro deve sempre ser feita com ele
desmontado, jamais ligado à rede.
Permaneça com o multímetro desconectado do circuito quando fizer
uso da chave seletora.
Lista de Materiais
•
•
1 multímetro.
4 pilhas de 1,5V.
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•
•
•
•
•
2 resistores com resistências da mesma ordem de grandeza. Exemplo: R1
= 270 Ω e R2 = 560 Ω.
Lâmpada com soquete com bulbo esférico (6,0V-500 mA).
Resistor de chuveiro comercial.
2 cabos jacaré–jacaré.
Conta mensal domiciliar de energia elétrica.
Observação: É possível realizar o experimento com apenas um multímetro,
entretanto, recomenda-se um multímetro por grupo de alunos.
Etapas do procedimento
Etapa 1: Lei de Ohm
•
Monte o circuito como mostra a figura 1.
•
Coloque uma pilha de 1,5 V entre os pontos B e C.
•
Para medir a corrente elétrica que atravessa um trecho do circuito o
multímetro entre A e C vai ser colocado em série abrindo o circuito (Figura
1b). Para medir a tensão, colocar em paralelo (Figura 1c), ou seja:
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o Mova, no multímetro, a chave de seleção para medir 200 mA
(200m-DCA), e insira o multímetro entre A e C, e anote o valor da
corrente.
o Repita os passos anteriores para 3,0 V (2 pilhas em série), 4,5 V (3
pilhas em série) e 6,0 V (4 pilhas em série). Construa uma tabela
com os valores obtidos.
•
Troque o resistor por uma lâmpada e repita o procedimento construindo
também uma tabela.
•
Em todos os experimentos repita o procedimento para a tensão, circuito
(Figura 1c).
•
Faça os gráficos U × i para os dois casos.
•
Nos dois casos, calcule a resistência obtida pela lei de Ohm para cada par de
valores medidos.
Tabela 1: Lei de Ohm
U(V)
i(A)
R(Ω)
Resistor
Lâmpada
Etapa 2: Associação de Resistores
2.1 – Procedimento – Associação em série
•
Meça a resistência de cada resistor utilizando o multímetro como ohmímetro.
•
Associe os dois resistores da mesma ordem de grandeza (Figura 2a) em
série, meça a resistência equivalente entre os pontos A e B da associação e
coloque este valor na tabela 2.
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•
Ajuste a fonte para 4,5 V (3 pilhas de 1,5 V em série) e monte o circuito
como mostra a figura 2b. Lembre–se que você precisará abrir o circuito ao
inserir o multímetro para medir corrente.
•
Meça as tensões entre os pontos A e B (UAB), A e C (UAC) e C e B (UCB)
utilizando o multímetro como voltímetro. Coloque estes valores na tabela 2.
•
Meça a corrente, i, utilizando o multímetro como amperímetro, colocando em
série no circuito (Figura 2b).
•
Meça a corrente que circula entre os resistores 1 e 2, colocando o
amperímetro entre os dois resistores, e coloque o valor na tabela 2.
•
Meça a corrente colocando o amperímetro entre o resistor R2 e a fonte, e
coloque o valor na tabela 2.
Observação: Em todos os experimentos use somente um multímetro de cada
vez.
Tabela 2: Associação de resistores em série
U(V)
Série
R(Ω)
i(A)
Ohmímetro
UAB=
i=
R=
UAC=
i1=
R1=
UCB=
i2=
R2=
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2.2 – Procedimento – Associação de resistores em paralelo
•
Meça a resistência de cada resistor utilizando o multímetro como ohmímetro
e coloque os valores na tabela 3.
•
Associe os dois resistores (Figura 3a) em paralelo, meça a resistência
equivalente entre os pontos A e B da associação e coloque este valor na
tabela 3. Ajuste a fonte para 4,5 V (3 pilhas de 1,5 V em série) e monte o
circuito como mostra a figura 3b.
•
Meça a tensão entre os pontos A e B, utilizando o multímetro como
voltímetro. Coloque este valor na tabela 3.
•
Meça a corrente, i, utilizando o multímetro como amperímetro (Figura 3b).
Coloque este valor na tabela 3.
•
Meça as correntes i1 e i2 que circulam nos resistores 1 e 2 e coloque os
valores na tabela 3.
Tabela 3: Associação de resistores em Paralelo
R(Ω)
Ohmímetro
1/R(Ω-1)
U(V)
UAB=
i(A)
R=
1/R=
i=
R1=
1/R1=
I1=
R2=
1/R2=
I2=
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Etapa 3: Funcionamento de um chuveiro
Sugestão: Como abordar o assunto com os alunos?
Para aquecer a água de um chuveiro elétrico são utilizados resistores. A
resistência, que nada mais é do que um fio de um determinado comprimento
enrolado em forma de mola, fica mergulhada na água dentro do chuveiro. Vale
lembrar que mesmo sem estar em funcionamento, sempre haverá água dentro
do chuveiro, pois o mesmo funciona como uma pequena caixa de água.
Um resistor ao conduzir uma corrente elétrica gera calor. O chuveiro possui um
resistor dentro dele. Quando o chuveiro é ligado, a água passa pelo cano sobre
esse resistor, que por estar muito quente, aquece a água. Isso responde por
que quando deixamos passar pouca água, ela sai mais quente. Quando
pouquíssima água passa, um disjuntor desliga o aquecimento.
Mas, e as posições Inverno e Verão dos chuveiros, como funcionam?
A figura 4 mostra um chuveiro com duas temperaturas correspondentes às
posições inverno e verão e como os resistores estão conectados no interior do
chuveiro.
•
Meça as resistências do chuveiro entre os pontos A-B, B-C e A-C (figura 5),
utilizando o multímetro. Coloque os valores na tabela 4.
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•
Utilizando uma conta mensal de energia elétrica da sua casa (figura 6),
anote o consumo mensal em kWh e o valor total pago. No chuveiro da sua
casa, leia e anote o valor da potência nominal no chuveiro.
•
Calcule usando a lei de ohm os valores da corrente e da potência entre os
pontos A-B, B-C e A-C (figura 5), quando estes pontos são submetidos a
uma tensão de 220 V. Coloque estes valores na tabela 4.
•
Com os dados do consumo de energia mensal da sua conta (figura 6), e do
valor pago, calcule o gasto mensal dos seus banhos, considerando a potência
do chuveiro e o tempo de duração diário do seu banho. Coloque os valores
encontrados na tabela 5.
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Tabela 4: Medidas das resistências
Valores das potências e correntes
R(Ω)
P(W)
i(A)
A–B
B–C
A–C
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Tabela 5: Consumo mensal de energia elétrica – Banhos
Energia elétrica consumida em kWh
E=
Valor mensal da energia elétrica em R$ =
Valor do preço de 1 kWh=
Potência do chuveiro em kW
P chuveiro=
Duração do banho h
∆t diário =
∆t mensal =
Valor mensal dos banhos =
% do valor da conta mensal =
Orientações
Como usar o multímetro:
Para as medidas da corrente elétrica, tensão e resistência nos circuitos elétricos
pode ser utilizado um multímetro digital de baixo custo, como mostra a figura
7.
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Observe que há quatro terminais no multímetro:
•
•
•
O primeiro à esquerda (VΩ) á utilizado para medir tensão contínua (DCV)
e ou resistência (VΩ);
O segundo é o terminal comum (-)
O terceiro (+) e quarto (+) para medir corrente (DCA) na escala de mA e
na escala de até 10A respectivamente.
A seleção da função e escala é feita pela chave seletora.
Dicas de segurança: permaneça com o multímetro desconectado do circuito
quando fizer uso da chave seletora!
Dicas de montagem: As sugestões a seguir referem-se a montagem utilizando
os materiais descritos na seção "Procedimento – Lista de Materiais".
Montagem para a medida da tensão:
Para associar as pilhas em série colocadas nos suporte, utilize fita adesiva e
para associar as duas lâmpadas, utilize clipes ou outro recurso disponível, e
dois cabos jacaré/jacaré para fazer a ligação, como mostram as figuras 8, 9, e
10.
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Montagem para a medida da corrente:
Para medida da corrente, sugerimos a ligação mostrada na figura 11.
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Montagem para a medida da resistência:
O mesmo circuito utilizado para medir a tensão, colocando a chave seletora na
posição, por exemplo, 2000Ω (resistências até 2000Ω).
Selecione a função e a escala, utilizando a chave seletora. Caso não seja
conhecida a escala a ser utilizada, comece sempre pelo valor mais alto, no caso
de medida de corrente e tensão.
Conecte a ponta de prova do cabo vermelho no terminal VΩ e a ponta do cabo
preto no COM (comum). Para medir a resistência do chuveiro entre os pontos A
e B e B e C, selecione a função ohmímetro, escala 200Ω (veja figura 12).
Observação: Os valores das resistências das pontas de prova, e o valor da
resistência interna do aparelho podem interferir nas medidas de resistências
que apresentam valores muito baixos.
Variação da resistência com a temperatura e vazão da água: comente
com os alunos que a resistência do chuveiro pode variar quando está passando
uma corrente elétrica, porque a variação da temperatura do resistor altera a
resistividade e, portanto o valor da resistência. A vazão da água, ou seja, a
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quantidade de água por unidade de tempo também influi no valor da
temperatura: quanto maior a vazão, menor o aquecimento.
Exemplo: Consumo mensal de energia elétrica – Quanto custa um
Banho?
•
•
•
Peça aos alunos:
o Levarem uma conta de energia elétrica para a aula.
o Verificarem qual a potência elétrica do chuveiro de suas casas.
Em seguida calcularem o preço do kWh com os dados da conta da energia
elétrica.
Calculando a energia consumida diária e no mês do banho de chuveiro,
pode–se calcular o custo dos banhos em um mês. Veja exemplo abaixo:
Considerando o valor da conta da energia elétrica (R$ 175,08) e a quantidade
de energia consumida mensal (433 kWh), tem-se o valor do preço do kWh:
Preço de 1 kWh = 175,08 / 433 = R$ 0,40
Potência do chuveiro: P = 5400 W = 5,4 kW
Duração do banho: ∆t = 0,5 h
Energia consumida diária: E = P x ∆t = 5,4 (kW) x 0,5 (h) = 2,7 kWh
Energia consumida mensal: E= 2,7 x 30 = 81 kWh
Total gasto: 81 x R$ 0,40 = R$ 32,40
Os banhos diários, com duração de 0,5h, correspondem a 18,5% da conta da
energia mensal.
Questões relativas ao resultado
Etapa 1: Questões relativas aos resultados – Lei de Ohm
1.1 – A partir dos dados tabelados, calcule o valor médio da
resistência do resistor.
1.2 – Obtenha o valor da resistência do resistor a partir do gráfico
U versus i. É igual ao obtido na questão 1.1?
1.3 – O valor da resistência medido com o ohmímetro para este
resistor é igual aos obtidos nas questões anteriores? O resistor é
um dispositivo ôhmico ou não?
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1.4 – Qual a resistência da lâmpada?
1.5 – Baseado no gráfico U versus i, pode–se dizer que a
lâmpada é um dispositivo ôhmico? Justifique.
Etapa 2: Questões relativas aos resultados – Associação de
resistores
Associação em série
2.1 – Qual a relação entre a resistência equivalente, R, medida e
as resistências da associação em série dos dois resistores, R1 e
R2?
2.2 – Qual a relação entre a tensão medida nos terminais da
associação, UAB, com as tensões UAC e UCB?
2.3 – Os valores das correntes medidos foram iguais ou
diferentes? Justificar a resposta.
Associação em Paralelo
2.4 – Calcule a resistência equivalente da associação dos dois
resistores em paralelo a partir dos valores de tensão e corrente
medidos.
2.5 – Calcule a resistência equivalente considerando os valores
medidos de R1 e R2, e compare com o valor obtido na questão
anterior.
2.6 – Qual a relação entre a corrente total, i e as correntes i1 e
i2?
Etapa 3: Questões relativas aos resultados – Funcionamento de
um chuveiro elétrico
3.1 – Qual resistor apresentou menor resistência: o de maior
comprimento ou de menor comprimento? Justificar a resposta.
3.2 – Entre quais posições a potência dissipada foi maior e a
corrente foi menor? Justificar a resposta.
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3.3 – O que representam estes valores no aquecimento da água do
chuveiro?
3.4 – Você consegue agora responder a questão prévia?
Questões para reflexão e discussão
1 – Qual a diferença entre potência e energia?
2 – Por que os quadros de força de distribuição de energia
localizam–se, normalmente, no centro geométrico das residências?
3 – Por que se usa fios de cobre nas instalações elétricas das
residências?
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Questão Desafio
1 - O chuveiro da figura abaixo apresenta três temperaturas que
estão indicadas no chuveiro como: quente, morno e muito
quente. Quais as ligações que seriam realizadas entre os
terminais dos resistores para obter essas temperaturas?
Respostas
Questões relativas ao resultado
Etapa 1: Questões relativas aos resultados – Lei de Ohm
1.1 – A partir dos dados tabelados, calcule o valor médio da
resistência do resistor.
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Resposta: O valor encontrado deve ser igual ou próximo do valor da
resistência do resistor utilizado = 270 Ω ou 540Ω.
1.2 – Obtenha o valor da resistência do resistor a partir do
gráfico U versus i. É igual ao obtido na questão 1.1?
Resposta: Deve ser igual ou aproximadamente igual ao valor da
resistência encontrado no item anterior, não podendo apresentar erro
maior que 5%.
1.3 – O valor da resistência medido com o ohmímetro para este
resistor é igual aos obtidos nas questões anteriores? O resistor
é um dispositivo ôhmico ou não?
Resposta: a mesma resposta do item 1.2 O resistor é um resistor
ôhmico porque a razão entre a tensão e a corrente é constante, que é
igual ao valor da resistência.
1.4 – Qual a resistência da lâmpada?
Resposta: Dependendo da corrente e da tensão aplicada nos terminais
da lâmpada, obtém–se um valor diferente para a resistência.
Exemplo:
Para uma tensão de U = 1,5 V aplicada à lâmpada de 6 V:
i = 20 mA
R = 75 Ω
Para U = 3 V:
i = 38 mA
R = 100Ω
1.5 – Baseado no gráfico U versus i, pode–se dizer que a
lâmpada é um dispositivo ôhmico? Justifique.
Resposta: Não, porque o gráfico U versus i não é uma reta e para
valores da tensão U e a correspondente corrente i, obtivemos
diferentes valores para R. Quando o dispositivo é ôhmico, o gráfico U
versus i é uma reta passando pela origem, pois a tensão é diretamente
proporcional à corrente, isto é, a razão entre a tensão e a corrente é
constante e igual ao valor da resistência do resistor.
Etapa 2: Questões relativas aos resultados – Associação de
resistores
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Associação em série
2.1 – Qual a relação entre a resistência equivalente, R, medida e
as resistências da associação em série dos dois resistores, R1 e
R2?
Resposta: a resistência equivalente é igual à soma das resistências
associadas em série.
R = R1 + R2
2.2 – Qual a relação entre a tensão medida nos terminais da
associação, UAB, com as tensões UAC e UCB?
Resposta: UAB = UAC + UCB
2.3 – Os valores das correntes medidos foram iguais ou
diferentes? Justificar a resposta.
Resposta: os valores das correntes foram iguais.
Associação em Paralelo
2.4 – Calcule a resistência equivalente da associação dos dois
resistores em paralelo a partir dos valores de tensão e corrente
medidos.
Resposta: Calcular o valor de cada resistência, utilizando a Lei de
Ohm: R1 = U / i1 e R2 = U / i2. A resistência equivalente é calculada
como sendo:
2.5 – Calcule a resistência equivalente considerando os valores
medidos de R1 e R2, e compare com o valor obtido na questão anterior.
Resposta: Para calcular a resistência equivalente, utilize a expressão:
2.6 – Qual a relação entre a corrente total, i e as correntes i1 e i2?
Resposta: i = i1 + i2
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Etapa 3: Questões relativas aos resultados – Funcionamento de
um chuveiro elétrico
3.1 – Qual resistor apresentou menor resistência: o de maior
comprimento ou de menor comprimento? Justificar a resposta.
Resposta: O resistor de maior comprimento apresentou maior
resistência porque a resistência é diretamente proporcional ao
comprimento:
3.2 – Entre quais posições a potência dissipada foi maior e a
corrente foi menor? Justificar a resposta.
Resposta: A potência dissipada foi maior entre os pontos AB porque a
resistência é menor, conseqüentemente a corrente é maior e podemos
observar que a potência varia com a corrente ao quadrado:
3.3 – O que representam estes valores no aquecimento da água
do chuveiro?
Resposta: Quanto menor a resistência, maior a corrente elétrica,
maior a potência, maior o aquecimento do chuveiro.
3.4 – Você consegue agora responder a questão prévia?
Resposta: na posição verão, a ligação é entre os pontos BC, porque
apresenta maior resistência e na posição inverno entre os pontos AB,
porque a resistência é menor.
Questões para reflexão e discussão
1 – Qual a diferença entre potência e energia?
Resposta: Potência é a capacidade de fornecer uma certa quantidade
de energia por segundo. A energia pode ser usada para produzir
trabalho ou pode ser dissipada sob forma de calor. Imagine um
halterofilista que tem força para levantar até 200 kg. Ele tem potência.
Quando nosso halterofilista suspender essa massa até uma altura h ele
terá realizado um trabalho (W = F x h = mgh).
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Em conseqüência, gastou uma certa quantidade de energia.
2 – Por que os quadros de força de distribuição de energia
localizam–se,
normalmente,
no
centro
geométrico
das
residências?
Resposta: Como o valor da resistência é diretamente proporcional ao
comprimento do fio, colocando–se o quadro de disjuntores no centro
geométrico da construção, garante–se o menor comprimento dos fios
de cada circuito. Assim sendo, economiza-se tanto no consumo de
energia perdida por aquecimento dos fios como no custo total dos
mesmos.
3 – Por que se usa fios de cobre nas instalações elétricas das
residências?
Resposta: A principal razão para a utilização do cobre é sua excelente
condutividade elétrica.
Material
Resistividade ρ (Ω m)
Condutores
Prata
1,58 x 10-8
Cobre
1,67 x 10-8
Alumínio
2,65 x 10-8
Tungstênio
5,6 x 10-8
Ferro
9,71 x 10-8
Semicondutores
Carbono (grafite)
(3 - 60) x 10-5
Germânio
(1 - 500) x 10-5
Isolantes
Vidro
109 - 1012
Borracha
1013 - 1015
Observe a diferença da resistividade, por exemplo, entre o cobre e o
ferro. O ferro tem uma resistividade 10 vezes maior que o cobre.
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Questão Desafio
1 - O chuveiro da figura abaixo apresenta três temperaturas que
estão indicadas no chuveiro como: quente, morno e muito
quente. Quais as ligações que seriam realizadas entre os
terminais dos resistores para obter essas temperaturas?
Resposta:
Entre B e C – muito quente (resistência menor)
Entre A e C – quente (resistência média)
Entre A e B – morno (resistência maior)
Sugestão de Interface com outras disciplinas
Geografia: Discutir as demandas de energia nas várias regiões do Brasil e
quais seriam as fontes de energia alternativas para estas regiões.
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Biologia: Discutir as fontes alternativas de energia elétrica e as
conseqüências para o meio ambiente (Poluição, efeito estufa, alergias, etc).
Matemática: Discutir as funções envolvidas nos cálculos dos circuitos e no
valor total da conta de energia e questionar as possíveis formas para
economizar energia e diminuir o valor da conta (discussão sobre consumo
de energia).
Informações Adicionais
01: Intensidade da corrente elétrica
Intensidade da corrente elétrica (i) é definida como a quantidade de carga (∆Q)
que passa por uma seção transversal do fio por unidade de tempo (∆t) (figura
14), ou seja:
No sistema internacional (SI) a unidade da corrente elétrica é o ampère (A),
definido como: 1 ampère (1 A) = 1 coulomb / 1 segundo.
A unidade foi denominada ampère em homenagem ao físico francês André–
Marie Ampère (1775–1836), que foi um dos criadores do eletromagnetismo.
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02: Diferença de potencial ou tensão elétrica
O campo elétrico realiza trabalho ao transportar carga entre dois pontos A e B
do circuito. Se a carga Q for transportada entre os pontos A e B e receber a
energia T, dizemos que entre os pontos A e B existe uma diferença de potencial
VA – VB, ou tensão, UAB, dada por:
No SI a unidade de tensão elétrica é o volt (V), definido por:
1 volt (1 V) = 1 joule / 1 coulomb (1J / 1C)
03: Resistência elétrica
A resistência elétrica (R) decorre de colisões dos elétrons com outros elétrons e
com os átomos do material através do qual a corrente elétrica circula. Em um
bom condutor, como é o caso do cobre, há pouca resistência à passagem da
corrente elétrica, e em um mau condutor, caso do concreto, há bastante
resistência à passagem da corrente.
Verifica–se experimentalmente que a resistência de um fio condutor é
diretamente proporcional ao comprimento do fio e inversamente proporcional à
área da seção reta transversal do fio. A constante de proporcionalidade é
denominada resistividade do material (ρ), ou seja:
Nessa equação, ρ é a resistividade e é característica do material utilizado. O seu
valor varia com a temperatura e, conseqüentemente a resistência também.
04: Lei de Ohm
George Simon Ohm, um físico e matemático alemão, descobriu que a tensão
elétrica para condutores metálicos varia linearmente com a corrente, ou seja,
que a razão entre a tensão e a corrente elétrica é constante. Essa constante é
denominada resistência (R) do condutor. Isto é:
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Quando um material satisfaz essas relações dizemos que é um condutor
ôhmico, quando não satisfaz é um condutor não ôhmico. Na figura 15 vemos o
comportamento da tensão em função da corrente para estes dois casos. Para o
condutor ôhmico a linha deste gráfico é sempre uma reta. Qualquer outra curva
identifica um condutor não ôhmico.
05: Potência elétrica
O trabalho realizado pela força elétrica para transportar uma quantidade de
carga elétrica, ∆Q, entre dois pontos A e B de um circuito (figura 16) é:
Sendo VA e VB os potenciais em A e B.
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A potência elétrica P é o trabalho realizado pela força elétrica, que corresponde
à energia elétrica, por unidade de tempo.
Notação: P Æ potência
Substituindo 1.5 em 1.6:
Como a corrente elétrica i = Q / ∆t, e a diferença de potencial ou tensão UAB =
VA – VB, substituindo em 1.7, tem–se:
Pela Lei de Ohm, tem–se que:
Substituindo em (1.8):
Pode–se expressar a potência também em função de U e R, substituindo i= U/R
em 1.9:
Unidade de potência SI
U
(P)
=
U(R)/U(t)
=
1
joule/segundo
=
1
watt
(1W)
Para medir a energia elétrica T consumida em um aparelho, precisa–se saber a
potência elétrica do aparelho e o tempo que o aparelho fica ligado (T = P x ∆t).
Uma unidade de energia muito usada, inclusive nas contas domiciliares de
energia elétrica, é o quilowatt–hora (kWh). O que é o kWh? É a energia
fornecida a um aparelho com a potência de 1 kW durante 1 hora.
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06: Efeito Joule
James Prescott Joule (1818/1889)
pela
Em 1850, na Inglaterra, James Prescott Joule, estabeleceu a
equivalência entre as quantidades de calor e de trabalho
mecânico. Nas medidas realizadas por Joule, ele obteve que
para gerar uma quantidade de calor igual a uma caloria, é
necessário realizar um trabalho de 4,186 J. Esta relação não é
válida somente para trabalho mecânico; ela é também válida
para outras formas de trabalho, tal como trabalho realizado
força
elétrica.
O secador de cabelos, o chuveiro, a lâmpada elétrica, o ferro elétrico, entre
outros, funcionam devido à transformação da energia elétrica em energia
térmica (calor) e/ou eletromagnética (luz) em conseqüência da passagem da
corrente elétrica.
Textos de referência
•
•
•
•
H. Maceti; C. L. Levada; I. J. Lautenschleguer, Ciência e cotidiano: A
Física do chuveiro elétrico. SCIENTIA PLENA VOL. 3, NUM. 8 2007, p 313.
http://www.scientiaplena.org.br – acessado abril de 2008
GASPAR, A. Física. Série Brasil Volume Único. São Paulo; Editora Ática,
2004
ALVARENGA B. & MÁXIMO, A. Física Volume Único – São Paulo: Editora
Scipione, 2002
Gref – Grupo de reelaboração do Ensino de Física – Fisica 3 –
Eletromagnetismo. EDUSP, 1993
Créditos
Projeto Acessa Física
Instituição Executora IBTF - Instituto Brasileiro de Educação e
Tecnologia de Formação a Distância
Coordenadores de Conteúdo Prof. Dietrich Schiel
Prof. Yvonne Primerano Mascarenhas
Coordenador Pedagógico Hamilton Silva
Autores, Co-autores e Prof. Antonio Carlos de Castro
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Professores Convidados Prof. Carlos Alfredo Argüello
Prof. Carolina Rodrigues de Souza Miranda
Prof. Iria Muller Guerrini
Prof. Marco Aurélio Pilleggi
Prof. Sergio Henrique de Souza Motta
Criação de Linguagem Cao Hamburger
Editora de vídeo Daniela Cacuso Bellarde dos Santos
Ilustrador Matheus Augusto Alves Tognetti
Locutor Julio Peronti
Programadores Nilton Jorge Borges
Priscila Mascarenhas Luporini
Parceiros CDCC - Centro de Divulgação Científica e
Cultural – USP
IEA - Instituto de Estudos Avançados São Carlos – USP
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Qualquer uma destas condições pode ser renunciada, desde
que você obtenha permissão do autor.
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do autor.
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