O efeito joule;

A relação entre aquecimento térmico e resistência elétrica;

A calcular a energia dissipada pelo efeito joule num resistor ôhmico.

Resistência, corrente e tensão elétrica;

Trabalho;

Calor.

Estratégias de ensino:

- Aula interativa (ou expositiva) com recursos de multimeios;

- Aula experimental demonstrativa ou participativa;

Materiais:

- Fios de rede elétrica, 2,5 mm² de área transversal;

- Dois garfos;

- Um bocal de lâmpada;

- Uma Lâmpada;

- Um plugue de tomada;

- Terminal “Sindall”;

- Três pilhas (todas do tipo D ou AA ou AAA);

- Palha de aço.

Introdução à aula: Fundamentação Teórica

Pergunte aos alunos se eles já repararam que alguns materiais aquecem quando são percorridos por corrente elétrica. Faça uma lista de materiais que os  alunos forem citanto que aquece quando percorrido por corrente elétrica.

Relembre rapidamente com seus alunos os conceitos de eletrodinâmica de corrente, resistência e tensão elétrica, bem como os conceitos de trabalho e calor.

Também será necessário apresentar a dedução da equação da potência dissipada em um resistor elétrico. Para isso, apresente a figura1 e explique que a força elétrica (F_e) sobre os elétrons (representados pelas esferas azuis) é proveniente do potencial elétrico fornecido pela pilha. Explore com os seus alunos a ideia de que em um circuito no qual a corrente elétrica é constante, a força elétrica (F_e) é equilibrada pela força de resistência (F_res) oferecida pela rede cristalina do material (esferas amarelas), isto é, das próprias moléculas constituintes do metal condutor.

Figura 1: Diagrama de corpo livre de elétron em uma corrente contínua constante

Disponível em: http://phet.colorado.edu/en/simulation/battery-resistor-circuit  acesso em 08/10/2010

Portanto, você poderá deduzir que a potência do trabalho (resistente) realizado pela estrutura cristalina de um filamento condutor, de comprimento “d”, sobre uma carga é:

Cabe agora explicar aos alunos que quando as cargas elétricas passam pelo filamento condutor, ocorre a colisão entre as cargas elétricas e as partículas da própria rede cristalina, provocando a força de resistência. Em tais colisões, a energia cedida ao elétron, pela fonte de potencial elétrico, é transferida para as partículas do condutor (energia dissipada pela força resistiva), que passam a vibrar com maior intensidade, caracterizando-se em aquecimento. Como o condutor não está em um sistema fechado e isolado, irá, concomitantemente, transferir esta energia recebida para o ambiente, em forma de calor. A equação obtida pela lei de Joule permite-nos, portanto, equacionar a relação entre a energia elétrica de um dispositivo com a dissipação de energia em forma de calor.

Figura 2: Dissipação de calor devido Efeito Joule

Disponível em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_29.asp acesso em 08/10/2010

Atividade 1 – Determinação da potência dissipada em um resistor

Disponibilize aos seus alunos o recurso 1 abaixo:

Ohm 

Recurso 1: Determinação da potência dissipada em um resistor

Disponível em: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=13454 acesso em 08/10/2010   

Este recurso possibilita aos alunos a obtenção de diversas conclusões referentes à eletrostática e a eletrodinâmica:

1) Quando a tensão é zerada, as cargas elétricas, representadas pelas circunferências azuis, continuam em movimento, até aglutinarem-se (devido a lei de Coulomb) nas moléculas da rede cristalina do condutor. Além disso, esta movimentação dos portadores de carga mesmo com a tensão nula demonstra que os elétrons livres possuem mobilidade, e que a corrente elétrica se caracteriza como movimento ordenado das cargas;

2) A resistência elétrica do condutor está associada à rede cristalina do condutor. Neste simulador, quanto maior a resistência, maior o número das circunferências marrons, que podem representar os átomos do condutor;

3) Os átomos possuem posições fixas, muito embora tenham movimentos de vibração;

4) A corrente elétrica pode ter dois sentidos possíveis no circuito, dependendo da polaridade da fonte de tensão;

5) Os átomos agitam-se no momento em que ocorre a colisão com as esferas azuis, mostrando a transferência de energia mecânica;

6) A temperatura esta associada à energia cinética – agitação – vibração - dos átomos da rede cristalina.

Exercícios:

1) Peça para seus alunos deduzirem, a partir da equação da potência dissipada (apresentada acima) em um resistor elétrico e da primeira lei de Ohm, as equações abaixo:

Sugestão de resposta: A partir da primeira lei de Ohm: U = i.R (onde U é a diferença de potencial, i a intensidade da corrente elétrica e R é a resistência) e da equação da potência Pot = i.U (onde Pot é potência). 1) A dedução da primeira expressão é obtida pela substituição da tensão, dada na primeira lei de ohm por “i.R”, na equação da potência.Teremos assim: Pot = i . (i . R) = i² .R = R . i² . 2) Para a dedução da segunda expressão deve-se, primeiramente, isolar a corrente (termo “i”) na primeira lei de Ohm, obtendo i = U/R e substituindo “U/R” na equação da potência, resultando em: Pot = (U/R) . U = U²/R

2) Uma lâmpada possui as seguintes especificações técnicas: 100 W – 127 V. Calcule a intensidade de corrente elétrica que circula pelo seu filamento.

Sugestão de resposta: i=100/127~0,79 A.

3) Quando um chuveiro elétrico deixa de funcionar, costuma-se dizer que ele “queimou”. Explique essa ocorrência do ponto de vista da Física e que tipo de conserto se pode fazer para que o chuveiro volte a funcionar.

Sugestão de resposta: Durante a passagem da corrente, o filamento metálico, como apresentado durante a aula, sofre um aumento de temperatura. Caso o aumento seja muito elevado, o material pode fundir, isto é, mudar do estado sólido para o estado líquido, e se romper. Outro fenômeno que ocorre com o aquecimento da resistência do chuveiro é o aumento da taxa de oxidação do material. Os óxidos, além de não serem maleáveis, não é bons condutores. Como há a dilatação do filamento da resistência durante o aquecimento, a oxidação, em geral, provoca a ruptura. Outro fenômeno perceptível com a oxidação destes filamentos é o aumento da resistência do filamento. Percebe-se, na equação (Pot = i²/R) que quanto maior a resistência menor a potência. Por este motivo, as lâmpadas brilham menos quando mais “desgastadas” (oxidadas) e os chuveiros elétricos aquecem menos ao longo tempo. 

Atividade 2 - Laboratório experimental

Os experimentos evidênciam o aquecimento de um condutor quando passa por ele uma determinada corrente elétrica.

Os materiais relacionados a esta experiência podem ser adquiridos pelos próprios alunos (pilhas, palha de aço e filamentos condutores).

1) Associe três pilhas em série e conecte-as a uma palha de aço, conforme a figura abaixo.

Figura 3: Efeito Joule em uma palha de aço

Disponível em: http://www.efeitojoule.com/2008/04/efeito-joule.html acesso em 08/10/2010. 

2) Peça aos alunos para aumentar o número de pilhas associadas em série (4, 5 e 6 pilhas).

A partir da observação do que ocorreu, oriente os alunos a explicar, com base na fundamentação teórica e nos conceitos estudados com o recurso 1, o que ocorre quando se aumenta o numero de pilhas associadas.

Atividade 3 – Fritando alimentos

Outra maneira de evidenciar o Efeito Joule é a partir do cozimento de alimentos submetidos às tensões elétricas. É importante frisar que esse experimento requer certos cuidados pois, existe o perigo de ocorre choques elétricos.

Nesta atividade, propõem-se um experimento no qual, a partir da tensão elétrica da rede domiciliar (110 V ou 220 V), pode-se assar uma salsicha (http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_30.asp, acesso 08/10/2010).  

No dispositivo proposto, o autor conecta em série uma lâmpada incandescente a um dos terminais (garfo) onde a salsicha será espetada. O outro terminal será conectado a um terminal “Sindall”, e depois a um plugue de tomada.

Ao espetar a salsicha nos terminais, o circuito será fechado e a corrente elétrica que passará irá fritá-la. O tempo de preparo da salsicha é determinado pela potência da lâmpada: quanto maior a potência, menor o tempo de preparo.

IMPORTANTE: caso pense em comê-la, corte fora as pontas da salsicha que estavam em contato com o metal pois, durante o processo, ocorre desprendimento de alumínio.

Figura 4: Assador de salsichas

Disponível em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_30.asp acesso em 08/09/2010. 

Exercícios:

1) Peça aos alunos para explicarem porque o tempo de preparo é menor, quanto maior a potência da lâmpada.

Sugestão de resposta: A primeira consideração que se deve fazer nesta questão é que a resistência de um dispositivo é menor quanto maior sua potência dissipada: R = i²/Pot. Como a lâmpada está associada em série à salsicha, a corrente que passa pelo “circuito” é também é inversamente proporcional à resistência deste circuito. Em outros termos, quanto menor a resistência elétrica do circuito, maior a corrente que passa por ele. Logo, quanto 1) maior a potência da lâmpada, 2)menor a sua resistência, 3) maior será a corrente em todo o circuito e 4) maior será a elevação da temperatura da salsicha 5) preparando-a mais rapidamente.   

2) A partir da representação abaixo, peça para os alunos determinarem os valores da corrente e da tensão elétrica sobre a salsicha. Em seguida, peça para que os alunos calculem a potência dissipada na salsicha.

Figura 5: Montagem para medidas de tensão e corrente na salsicha

Disponível em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_30.asp acesso em 08/09/2010. 

Sugestão de resposta: Valores obtidos com uso do amperímetro e multímetro.

O link a seguir apresenta um vídeo francês chamado "Viagem da Eletricidade" e tratará sobre o efeito Joule, efeito eletromagnético e a eletrólise: http://www.youtube.com/watch?v=YZC_gxl2HEk  acesso em 12/10/2010.

O link a seguir apresenta outras informações sobre o efeito joule: http://www.espie.cinted.ufrgs.br/~dsbit/pdf/eletrica/cap3.pdf acesso em 12/10/2010.

Vídeo "Física Animada" - http://www.youtube.com/watch?v=MxRxJpdUcSA acesso em 15/10/2010. 

Os alunos serão avaliados através da resolução dos exercícios e na apresentação de um trabalho que contenha equipamentos que utilizem o efeito joule. É importante que os alunos expliquem como o efeito joule é utilizado pelo equipamento.