Tensão e Transformações de Energia em Associações de Pilhas ou

Colégio Técnico da Escola de Educação Básica e Profissional da UFMG – Física – 1º Ano – 2016
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Tensão e Transformações de Energia em Associações de Pilhas ou de Resistores
Introdução
Nesta atividade, você fará medidas de tensão e medidas de corrente elétrica para entender circuitos
montados a partir da associação de pilhas, bem como de circuitos montados a partir da associação de
resistores (mais especificamente, associação de filamentos de lâmpadas). O objetivo atribuído à atividade é
interpretar os efeitos desses dois tipos de associações ao considerarmos os processos de transferência e
transformação de energia nos diversos circuitos que iremos montar e investigar. Para fazer esta atividade
usaremos o aplicativo disponível no link https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/circuit-construction-kit-dc.
Exploração 1 – Associação de pilhas ou baterias
Existem, basicamente, dois tipos de associações entre pilhas: a associação em série e a associação em
paralelo. A diferença fundamental entre esses dois tipos de associação é a maneira como os polos das
pilhas são conectados entre si. As figuras apresentadas a seguir ilustram cada um desses dois tipos de
associação.
1- Para começar, monte um circuito elétrico com uma única bateria e uma única
lâmpada. Depois, orientando-se pela figura ao lado, acrescente uma segunda
bateria em série com a primeira (o circuito mostrado nessa figura exibe uma chave
interruptora que não precisa ser inserida em sua associação). Feita a ligação,
observe o que acontece com o brilho da lâmpada e responda: em relação ao
circuito com apenas uma bateria, o brilho da lâmpada e a corrente elétrica que
circula por ela aumentam ou diminuem com o acréscimo de uma segunda bateria
em série com a primeira? Nota: lembre-se de inserir um amperímetro no circuito para responder a essas
questões
2- Insira um voltímetro no circuito e utilize-o para medir a voltagem nos terminais de cada bateria tomada
isoladamente, bem como a voltagem nos terminais da associação formada por duas baterias ligadas em
série. O resultado está dentro do que você esperava? Explique.
3- Monte um circuito elétrico com uma bateria e uma lâmpada. Depois, orientando-se pela figura ao lado,
acrescente uma segunda bateria em paralelo com a primeira. Feita a ligação,
responda:
A. Existe diferença significativa no brilho da lâmpada quando ela é ligada a
apenas uma pilha ou a duas pilhas em paralelo?
B. A quantidade de energia que a lâmpada transforma - a cada segundo – é
diferente quando ligamos uma pilha ou duas pilhas em paralelo? E quanto à
quantidade de energia entregue por cada pilha?
4- Insira um voltímetro no circuito e utilize-o para medir a voltagem nos terminais da associação formada
por duas baterias ligadas em paralelo. O número de Joules de energia por Coulomb de carga elétrica é
alterado quando ligamos baterias em série ou em paralelo umas com as outras?
Exploração 2- Voltagem em trechos específicos do circuito
As medidas de tensão podem ser realizadas ao longo de um circuito que contém dois ou mais elementos
associados em série ou em paralelo. Essas medidas devem estar em acordo com a Lei da Conservação da
Energia que, aplicada ao contexto específico dos circuitos elétricos, nos permite compreender os processos
de transformação e transferência de energia nesses sistemas. De um lado, temos a fonte de tensão, que
funciona como uma “fonte” de energia e, no caso das baterias, transforma energia potencial química na
energia necessária para deslocar cargas elétricas, de modo a manter uma polaridade entre seus terminais.
De outro, temos as lâmpadas, que utilizam a energia fornecida pela fonte de tensão para transferir luz e calor
para o ambiente situado ao redor do circuito. Leve essas informações em consideração e faça o que se pede
a seguir, mas lembre-se do que dissemos na atividade Transformações de energia nos circuitos elétricos: o
número de volts medido em um trecho do circuito equivale à energia, em Joules, que é transferida ou
transformada a cada Coulomb de carga elétrica que “atravessa” esse trecho.
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5- Ligue duas lâmpadas em série a uma mesma fonte de tensão. Meça a voltagem da fonte de tensão e
meça, também, a voltagem nos terminais de cada uma das lâmpadas. Considerando que o número de
volts associado à tensão da fonte nos informa sobre a quantidade de joules utilizada por esse dispositivo
para transportar cada coulomb entre seus terminais, você diria que as medidas de voltagem, que você
acaba de fazer, confirmam a lei da conservação da energia?
6- Ligue duas lâmpadas em paralelo e meça a voltagem nos terminais das lâmpadas.
A. Essas medidas coincidem?
B. O número de Coulombs que passa, a cada segundo, no interior da fonte é igual ao número de
Coulombs que passa no interior de cada lâmpada tomada isoladamente?
C. Você diria que as medidas de voltagem, tanto quanto as considerações sobre a circulação de carga
elétrica no circuito em paralelo, confirmam a lei da conservação da energia?
Exploração 3- Sobrecarregando uma pilha ou bateria
Nosso objetivo nesta exploração é simular o comportamento de uma fonte de tensão real sujeita a uma
demanda excessiva de energia que se deve ao acréscimo de muitos elementos consumidores ligados em
paralelo no circuito.
Em algumas casas a ligação do chuveiro produz uma queda no brilho das lâmpadas, quando várias
lâmpadas e outros aparelhos estão ligados simultaneamente. Algo similar pode ocorrer em um circuito que
contém uma bateria ligada a várias lâmpadas. Nesta exploração, nós iremos investigar esse processo.
7- Conecte uma bateria, uma lâmpada e um amperímetro de modo similar
àquele mostrado na figura ao lado (Nota: a configuração mostrada nessa
figura nos ajudará a inserir mais lâmpadas em paralelo nos próximos passos
desta atividade). Observe o brilho da lâmpada e meça a corrente que circula
em seu filamento para futuras comparações. Depois disso, clique com o
botão direito do mouse sobre a representação da bateria e escolha a função
Alterar Resistência Interna. Na caixa de diálogo que se abrirá, aumente a
resistência interna da bateria de zero para 5 ohms. Observe, então, o que
acontece com o brilho da lâmpada e com a corrente elétrica que circula no
circuito (Nota: a resistência interna de uma pilha ou bateria equivale à dificuldade enfrentada por esse
dispositivo para deslocar cargas em seu interior e, desse modo, manter a polaridade aplicada ao
filamento da lâmpada).
8- Monte o circuito mostrado na figura ao lado e desconecte, progressivamente, as
lâmpadas previamente inseridas nesse circuito. Enquanto desconecta as lâmpadas,
observe com atenção possíveis alterações no brilho da lâmpada que está
imediatamente acima da fonte de tensão e que deve ser mantida ligada durante todo
o tempo. Fixe sua atenção no brilho dessa lâmpada, enquanto as outras lâmpadas
são desconectadas. Registre suas observações.
9- Conceba uma hipótese para explicar o fato de que a redução no número de lâmpadas
ligadas em paralelo produz um aumento no brilho das lâmpadas que permanecem
ligadas. Avalie sua hipótese ao medir a corrente total do circuito (corrente que
atravessa a bateria) e a tensão nos terminais da fonte. Como parecem estar
relacionados: o número de lâmpadas ligadas em paralelo, a corrente total do circuito,
a tensão aplicada pela fonte e o brilho da lâmpada que está mais próxima da fonte?
10- Alguns textos didáticos caracterizam a associação de lâmpadas em paralelo como sendo aquela na qual
o ato de ligar ou desligar uma lâmpada ao circuito não afeta o restante do circuito formado pela(s)
outra(s) lâmpada(s) e pela fonte de tensão. A partir do que observamos agora, você diria que essa
caracterização é válida para fontes de tensão reais (que têm resistência interna ao fluxo de cargas)? É
válida para fontes de tensão ideais (que não oferecem resistência interna ao fluxo de cargas)? Justifique!
11- Para manter a tensão, uma bateria precisa transferir cargas elétricas entre seus terminais positivo e
negativo. A queda de tensão nos terminais da fonte observada nesta exploração está, de algum modo,
associada à mudança na corrente elétrica total estabelecida no interior da fonte? Explique.