Circuitos Elétricos 12.º ano

Circuitos Elétricos 12.º ano
1
Circuito elétricos
1.1
Começar a aula com uma experiência, para cada dois alunos, com uma revisão do
9.º ano.
1.2
A palavra eletricidade significa, etimologicamente, “propriedade do âmbar” (na
antiguidade). Hoje em dia, sabemos que a eletricidade é o estudo dos fenómenos
elétricos.
1.3
A partir de um circuito simples, que é construído ao mesmo tempo com os alunos:
1.4
Explorar os seguintes conceitos (fazendo sempre a “ponte” para o 12.º ano):
1.5
Definir o que é a corrente elétrica- Num fio metálico, os eletrões periféricos
deslocam-se, num determinado sentido, constituindo numa corrente elétrica.
1.6
Diferença entre soluções condutoras e metais e ligas condutoras- Nos metais e
ligadas metálicas designa-se por eletrões de condução. Nas soluções condutoras, a
corrente é devido ao movimento dos iões.
1.7
Corrente elétrica contínua (o sentido é sempre o mesmo) e alternada (o sentido
varia periodicamente).
1.8
Sentido convencional e sentido real- O sentido da corrente elétrica é o da região
de potencial mais elevado para a de potencial mais baixo.
1.9
Intensidade- Em regime estacionário, define-se como a taxa de fluxo de carga,
∆𝐐
ΔQ, através de uma seção reta de um condutor. 𝐈 = ∆𝐭 , a unidade do sistema
internacional é o ampere.
1.10 Resistência de um condutor - A resistência de um condutor, é a grandeza que
traduz a oposição do condutor ao movimento das suas partículas com carga
elétrica. Portanto, para uma dada diferença de potencial aplicada ao condutor, a
intensidade da corrente diminui se aumentar a resistência:
𝐑𝐞𝐬𝐢𝐬𝐭ê𝐧𝐜𝐢𝐚 𝐝𝐞 𝐮𝐦 𝐜𝐨𝐧𝐝𝐮𝐭𝐨𝐫 =
𝐝𝐢𝐟𝐞𝐫𝐞𝐧ç𝐚 𝐝𝐞 𝐩𝐨𝐭𝐞𝐧𝐜𝐢𝐚𝐥
𝐢𝐧𝐭𝐞𝐧𝐬𝐢𝐝𝐚𝐝𝐞 𝐝𝐚 𝐜𝐨𝐫𝐫𝐞𝐧𝐭𝐞
𝐑=
𝐔
𝐈
ohm
1.11 Lei de Ohm- Em alguns condutores (a temperatura constante), verifica-se que a
tensão nos extremos do condutor e a intensidade da corrente que o percorre são
diretamente proporcionais. Esta afirmação constitui a chamada lei de Ohm e os
condutores elétricos em que tal se observa chamam-se condutores óhmicos.
Figura 1: Condutor óhmico
1.12 Muitos condutores não seguem a lei de Ohm, ou seja, a tensão nos seus extremos
não é proporcional à intensidade da corrente. Nesses condutores não-óhmicos ou
não lineares o valor da resistência depende da tensão elétrica.
1.13 Resistividade- No caso de um condutor filiforme (em forma de fio), verifica-se
que a resistência: Aumenta com o comprimento, l, do condutor; Diminui com a
área, A, da sua seção de reta; Depende do material de que é feito; Depende da
𝐥
temperatura. 𝐑 = 𝛒 𝐀, onde 𝝆 é a resistividade do material de que é deito o
condutor. A sua unidade é o ohm metro, 𝛀 𝒎. A resistividade, a uma dada
temperatura, é uma característica do material de que é feito o condutor.
1.14 Demonstrar que que a resistividade, 𝜌, dos metais varia linearmente com a
temperatura. Referir a atividade experimental.
1.15 Exemplo:
Figura 2: Circuito simples
1.16 Desafio: Pedir aos alunos que construam um circuito que simule o sistema elétrico
de uma escada de um prédio. Colocar um esquema no quadro e pedir aos alunos
que construam.
1.17 Materiais necessários: dois interruptores, uma bateria e uma lâmpada
Aula de 50 minutos, dia 7 de Março
Sumário: Circuitos elétricos.
2
Trocas de energia num circuito elétrico
2.1
Efeito Joule- Quando há um campo elétrico de um condutor metálico, os eletrões
de condução são acelerados e, em consequência dos choques com os iões da rede
metálica, parte da energia cinética dos portadores de carga é transportada para a
rede metálica, aumentando, assim, a sua energia interna, que se manifesta no
aquecimento dos vários componentes do circuito, incluindo o próprio gerador. A
esse aquecimento chama-se efeito Joule.
2.2
Num circuito há um elemento que disponibiliza energia, o gerador, e os elementos
que a recebem, como os motores, voltâmetros, lâmpadas e resistências puras, que
são os recetores.
2.3
A energia transferida para um recetor… segundo este circuito:
A
B
2.4
2.5
Quando as cargas passam pelo motor perdem energia potencial elétrica. Essa
energia transforma-se noutras “formas” de energia, conforme o tipo de recetor.
⃗ e ) = UA→B I ∆t, o trabalho da força elétrica mede a
Pela expressão WA→B (F
energia elétrica transferida para o recetor e que vai ser transformada noutras
formas de energia:
2.5.1
No caso de uma resistência pura ou resistor, e energia elétrica transforma-se
apenas em energia térmica.
2.5.2
Se o recetor for um motor, parte da energia elétrica transfora-se em energia
mecânica e outra parte em energia térmica.
2.5.3
Se o recetor for um voltâmetro ou uma bateria em carga, a energia elétrica
transforma-se parte em energia química e em parte em energia térmica.
2.6
Da expressão anterior, pode obter-se a potência elétrica, P, transferida para o
recetor considerado, isto é, a energia transferida pelo gerador ao recetor, por
W
unidade de tempo: P = ∆t <=> P = UI
2.7
No caso de o recetor ser uma resistência pura, a energia térmica é transferida para
as suas vizinhanças, como calor ou como radiação. Então, como U = R I, a
potência dissipada no condutor óhmico é: P = UI <=> P = R I2. Esta expressão
traduz a Lei de Joule, enunciada em 1841.
2.8
Lei de Joule- A energia elétrica dissipada, por unidade de tempo, num condutor
óhmico é diretamente proporcional ao quadrado da intensidade da corrente que o
percorre.
2.9
Geradores- São dispositivos capazes de manter entre os seus terminais uma
diferença de potencial.
2.10 Força Eletromotriz- Mas o que interessa medir é o valor máximo da diferença de
potencial nos extremos de um gerador, e isso corresponde à força eletromotriz
(f.e.m). A força eletromotriz, ε, de um gerador é por definição, a energia, E, que
ele transfere para as cargas elétricas, por unidade de carga, ΔQ, que atravessa o
𝐸
gerador. 𝜀 = ∆𝑄 volt, V.
2.11 Assim quando dizemos que uma pilha é de 6V, estamos a referir à força
eletromotriz. O termo “força eletromotriz” não se refere a uma força, mas sim a
uma energia por unidade de carga e, por isso, tem as dimensões de uma diferença
de potencial elétrico.
2.12 Força Contraelectromotriz- Tal como um gerador é caraterizado pela sua força
eletromotriz, ε, também qualquer recetor é caraterizado pela sua força
𝐸′
contraelectromotriz, ε’. 𝜀′ = ∆𝑄 volt, V.
2.13 É por definição a energia que ele recebe e transforma noutras formas de energia
(mecânica ou química), por unidade de carga, ΔQ, que atravessa o recetor.
2.14 Colocar um circuito que demonstre estes dois acontecimentos…
Aula de 50 minutos, dia 14 de Março
Sumário: Trocas de energia num circuito.
3
Aula Prática
3.1
Construção e calibração de um termómetro de fio de cobre