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A Física dos aquecedores elétricos

 

16/09/2008

Autor e Coautor(es)
Jefferson Adriany Ribeiro da Cunha
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BRASILIA - DF Universidade de Brasília

José Eduardo Martins

Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino Componente Curricular Tema
Ensino Médio Física Equipamentos elétricos e telecomunicações
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula
• Entender o conceito de potência dissipada em um resistor; • Compreender o conceito físico efeito Joule; • Relacionar o efeito Joule com aparelhos utilizados no dia-a-dia.
Duração das atividades
Uma aula de 50 minutos.
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno
Lei de Ohm.
Estratégias e recursos da aula

Estrutura da Aula

Motivação/Introdução (20 minutos)

    Nesta aula o professor pode conquistar a atenção de seus estudantes, falando para eles sobre o efeito Joule, onde este fenômeno está presente e qual a importância dele para a nossa vida cotidiana. Comente com seus alunos que este fenômeno é responsável pelo aquecimento da água do chuveiro, aquecimento do ferro de passar roupas, é o princípio básico de funcionamento da torradeira, sanduicheira e demais aparelhos elétricos que liberam calor. Faça uma rápida pesquisa com seus estudantes a respeito de quantos aparelhos com esta funcionalidade eles conhecem, em casa ou em outro lugar. Uma vez verificado isso, sugira o seguinte desafio a eles:

•   Qual o princípio básico de funcionamento destes aparelhos elétricos que liberam calor?

   Ajude seus alunos a pensar na questão e sugira a relação deste funcionamento com a eletricidade. Colete relatos e propostas dos estudantes para sentir que estão construindo este conhecimento.
    Agora que o espírito investigativo de cada aluno foi convocado para atuar nesta descoberta, o professor pode começar a desvendar com eles este mistério.

Na sala de aula (15 minutos)

Efeito Joule

    Considere um resistor ligado a um gerador por onde passa uma corrente elétrica, como na figura abaixo. Este resistor, por ser um condutor, é repleto de elétrons que podem caminhar livremente pelo condutor. Este condutor é formado também por átomos com seus núcleos imóveis que constituem a rede cristalina do material. Quando aplicamos uma diferença de potencial nas extremidades do circuito, fazemos com os elétrons livres sejam impulsionados por uma força Coulombiana para passar pelo resistor. Ao tentar passar pelo resistor, estes elétrons se chocam contra os átomos da rede e perdem uma parcela da energia cinética que tinham inicialmente. Com estes choques a rede cristalina vibra e esta vibração é percebida por um observador externo como um aumento da temperatura do resistor. Com este modelo, vemos que uma intensidade maior da corrente elétrica acarreta uma maior energia térmica. Se tivermos uma resistência maior para este condutor, também teremos uma quantidade maior de energia liberada na forma de calor.

    Este fenômeno foi primeiramente estudado por James Prescott Joule (1818-1889), em 1840, e por isso recebe o seu nome. Do modelo que explica o fenômeno descrito anteriormente, percebemos que um aparelho que dissipa calor basicamente é composto por uma resistência elétrica em um circuito, onde podemos variar a resistência ou sua corrente para obtermos mais dissipação de calor.

Utilizando a linguagem matemática


A quantidade de energia dissipada por um resistor elétrico no tempo é dada pela potência deste resistor

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/discovirtual/aulas/346/imagens/eq1_12.png

Nesta equação P é a potência dissipada,  V é a diferença de potencial e i é a corrente elétrica.

Vamos supor que este resistor obedece à lei de Ohm, o que equivale a dizer que a corrente cresce linearmente com a diferença de potencial,

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/discovirtual/aulas/346/imagens/eq2_12.png

Substituindo a primeira equação  na última, teremos então uma relação entre a potência dissipada pelo resistor em função da corrente e da resistência deste resistor,

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/discovirtual/aulas/346/imagens/eq3_12.png

Esta é então a potência dissipada por um resistor qualquer, em termos da resistência e corrente. Em unidades básicas é a energia consumida pelo resistor no tempo.

    Analisando a equação acima, notamos que este modelo matemático reflete a realidade Física. Para o intervalo de tempo de uma hora, se este resistor tiver uma resistência grande, conseqüentemente vai liberar mais energia neste intervalo de tempo se comparado a um outro aparelho com uma resistência menor. Notamos também, que se tivermos uma corrente maior, isso também fará com que a energia gasta seja maior neste mesmo intervalo de tempo. Uma corrente maior implica em mais elétrons passa ndo pelo resistor e desta for ma mais choques destes el&eac ute;trons contra os nú cleos dos átomos do material, o que acarreta mais energia dissipada.

Na sala de informática (15 minutos)

Com todos estes conceitos bem formalizados, o professor pode agora mostrar a eles de forma prática, como funciona o conceito de potência dissipada em resistores. Professor, divida os estudantes em pequenos grupos, e em seguida peça-lhes que acessassem o sítio abaixo e trabalhem a proposta do aplicativo. Neste aplicativo eles vão observar uma tabela de valores de potência de vários aparelhos domésticos e um marcador ao lado de cada valor, onde poderão alterar o tempo que estes aparelhos ficam ligados em uma simulação. Peça para cada estudante simular o seu consumo em casa no período de uma semana, entrando na simulação com o tempo de uso de cada aparelho que usa em casa, durante este período.

Exemplo:
Simulação – Joãozinho usa em sua casa: 

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/discovirtual/aulas/346/imagens/joule3.png

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/discovirtual/aulas/346/imagens/joule4.png

Na simulação acima, notamos que Joãozinho gasta em média R$ 9,68 (por semana) de energia elétrica com os aparelhos listados ou apresentados na tabela.
Através desta atividade, os estudantes puderam compreender a importância de se usar eletricidade de forma racional. Verificaram também, na prática, o uso dos conceitos aprendidos sobre energia dissipada em resistores.

Experiência opcional

    Como atividade experimental opcional, o professor pode mostrar de forma simples como o efeito Joule está presente no aquecimento de resistências. Para este experimento precisaremos de uma pilha, dois fios pequenos condutores e um pedaço de lã de aço. Pegue a pilha média e ligue os dois pedaços de fios condutores aos pólos desta pilha. Conecte as extremidades dos fios a um pedaço de lã de aço e observe o que acontece. Quando conectamos os dois fios metálicos na lã de aço a corrente tentará passar por um dos finos fiapos que compõem a lã de aço. Como a resistência destes pequeno s fiapos é grande, consequentemente a potência também vai crescer e desta forma a energia dissipada também. Com isso, teremos fagulhas luminosas que irão surgir na lã de aço durante a passagem da corrente, que é o efeito Joule. Tente realizar esta experiência em um ambiente com pouca luz, para que este efeito seja mais visível.
 

Recursos Complementares
• Consumo de energia elétrica em uma residência: http://www.labvirt.fe.usp.br/simulacoes/fisica/sim_energia_consumo.htm Nesta simulação os alunos poderão entender que os aparelhos encontrados em nossas casas têm dissipações de energia diferentes, ou seja, têm potências diferentes. Com ajuda deste aplicativo, calcularemos a energia dissipada por alguns aparelhos no período de uma semana e poderemos medir o consumo, em reais, de uma pessoa no uso semanal destes aparelhos.
Avaliação
O conteúdo que os estudantes aprenderam nesta aula pode ser avaliado através de uma relação de problemas e questões colocadas para eles. Segue abaixo uma relação de problemas que podem ser utilizadas: • Peça para seus estudantes relatarem em um pequeno texto como funciona o mecanismo do efeito Joule, com todos os detalhes principais. • Para uma diferença de potencial de 25V e 2.5A, qual a potência dissipada neste resistor? • Com a potência calculada anteriormente, qual a quantidade de energia liberada por este resistor em 20 segundos, sabendo que a potência é a energia liberada no tempo?
Opinião de quem acessou

Quatro estrelas 5 classificações

  • Cinco estrelas 3/5 - 60%
  • Quatro estrelas 1/5 - 20%
  • Três estrelas 0/5 - 0%
  • Duas estrelas 0/5 - 0%
  • Uma estrela 1/5 - 20%

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Opiniões

  • Eliseu Mulimbeno, Angola - disse:
    eliseumulimbeno@hotmail.com.br

    02/04/2013

    Quatro estrelas

    De certeza que com estes conhecimentos os alunos ficam bem actualizados. é muito bom.


  • Ronildo Severino do Carmo, Pólo da UAB-Goianésia-Go. , Goiás - disse:
    ronimatfis@yahoo.com.br

    19/11/2010

    Uma estrela

    Interessante essa aula, é isso aí, temos que introduzir assuntos do cotidiano dos alunos sem perder a consistência física, sem contar que este tipo de aula é uma verdadeira lição de cidadania. Parabéns professor Jefferson. Ronildo - Pólo da UAB de Goianésia.


  • Valdivino Ferreira Leite, Colégio Estadual João XXIII , Goiás - disse:
    valdivinof@ibest.com.br

    28/07/2010

    Cinco estrelas

    Muito boa aula. Somente o tempo não é suficiente para trabalhar tudo que está proposto. Mais gostei muito da maneira que foi disposta a aula. Parabéns pelo trabalho!!!


  • Roberto, UFMS , Mato Grosso do Sul - disse:
    roberto__jr18@hotmail.com

    27/05/2010

    Cinco estrelas

    Muito Boa


  • SANDRO ROGÉRIO BAGNARA, EEB OSVALDO FERREIRA DE MELLO , Santa Catarina - disse:
    fisica_sandro@hotmail.com

    24/03/2010

    Cinco estrelas

    Muito boa sua proposta e serviu de modelo para outras atividades que eu organizei


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