Aparelhos que nos conectam com o mundo exterior fazem parte da vida moderna. Como a energia e a informação chegam atÊ a nossa casa?
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Outras tecnologias que mudaram o mundo
unidade
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Cha pm am / Ph ot o gr a phe r 's C hoi ce R e F/G tty Im a ge s
05_10_f001_9CCaS [SUBSTITUIR_abertura de unidade - quarto típico de um adolescente, com notebook/computador ligado e conectado à internet, aparelho celular, televisão ligada etc.}
Nesta unidade você vai aprender sobre o funcionamento dos circuitos elétricos que existem em nossa casa e como lidar com eles com mais segurança, o consumo de energia elétrica em nossa casa, a comunicação por sons e os fundamentos da comunicação a distância. 1. Como funcionam os circuitos elétricos? Como são ligados os aparelhos no circuito elétrico de nossa casa? 2. Como medir e controlar o consumo de energia dos aparelhos elétricos? De que fatores esse consumo depende? 3. O que é o som? Como são produzidos e como se propagam? Como os percebemos? 4. Como funcionam as tecnologias de comunicação a distância?
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capítulo
Vamos tratar de:
• Elementos de um circuito elétrico simples (fonte, condutores e consumidores de energia elétrica)
Eletricidade em nossas casas O que acontece quando acionamos o interruptor de uma lâmpada elétrica? O que se passa nos fios de ligação quando acionamos um aparelho elétrico? O que é a corrente elétrica e como ela faz funcionar os aparelhos em nossa casa? Crédito
10 • O consumo de energia em um circuito e sua medida em nossa casa; cuidados no uso e manuseio de aparelhos e instalações elétricas
• Circuitos em série e paralelo: diferenças básicas e primeiras descrições
05_10_f002_9CCaS [NOVA_abertura de capítulo - algum equipamento elétrico sendo ligado na tomada de uma casa]
Quando acionamos um interruptor, fios de ligação fecham o circuito, conectando a lâmpada a uma fonte de energia.
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Alamy/Other Images
• Instalação elétrica
A eletricidade e a vida moderna P Fotos: Acervo Fotográfico da Light/Instituto Light
oucas coisas alteraram tão profundamente o modo de vida moderno como a eletricidade. Você é capaz de imaginar cenas como as sugeridas pelas fotos a seguir, que evocam as mudanças que a eletricidade trouxe para a vida moderna?
O primeiro bonde elétrico da América do Sul foi inaugurado no Rio de Janeiro em 8 de outubro de 1892 (foto). Desde então, a energia elétrica vem modificando cada vez mais o modo de vida nas cidades e impulsionando o crescimento comercial, industrial e cultural.
Foto de um grupo de acendedores de lampião em fevereiro de 1930. O último lampião de gás da cidade do Rio de Janeiro foi apagado no dia 31 de dezembro de 1933. Hoje eles são lembrados pelos versos de canções antigas, como “Lampião de gás”, de Inezita Barroso: “Lampião de gás! / Lampião de gás! / Quanta saudade / Você me traz! / Da sua luzinha verde-azulada / que iluminava a minha janela /...”.
Com a eletricidade, prolongamos as horas do dia com auxílio de iluminação, tomamos banho com água aquecida por chuveiros, damos partida nos automóveis, conservamos alimentos por longos períodos colocando-os em geladeiras, ligamos rádios, TVs, computadores e outros aparelhos eletrônicos, ou usamos elevadores para subir e descer em prédios com muitos andares. Nas indústrias e na agricultura, no comércio e em nossa casa, aparelhos elétricos estão sempre presentes. Apesar disso, aquilo que denominamos “eletricidade” ainda é um mistério para muitas pessoas. Há também o fato de a eletricidade ser, muitas vezes, considerada ameaçadora. Desde pequenos ouvimos recomendações sobre cuidados para evitar choques elétricos. Nesse caso, a falta de informações sobre o que é um circuito elétrico e como ele funciona pode gerar pânico desnecessário ou nos colocar em situações de risco.
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trocando ideias
Proponha, se possível, esta atividade como desafio em papel seguido de experimentos com fios de ligação, pilhas (de preferência recarregáveis) e lâmpadas de lanterna (1,5 V).
Discuta com seus colegas qual(is) das montagens indicadas nas ilustrações a seguir permite(m) acender a lâmpada. O ideal é que vocês providenciem material experimental e façam o teste em cada caso. Para isso, será necessário dispor de uma pequena lâmpada de lanterna que brilhe ao ser ligada em uma ou mais pilhas, além, é claro, da(s) própria(s) pilha(s) e de dois pequenos pedaços de fios elétricos.
B
C
D
E
F
Artur Kenji Ogawa/Arquivo da editora
A
Acendendo uma lâmpada
1. Em seu caderno, desenhe as montagens que permitiram acender a lâmpada. 2. Quando ligamos uma pilha e uma lâmpada com um ou mais pedaços de fios, estabelecemos um “circuito elétrico”. Mas por que será que a ligação entre pilha, lâmpada e fio(s) recebe o nome de “circuito”? Afinal, o que significa o termo “circuito”?
Os elementos essenciais de um circuito elétrico Todo circuito elétrico possui uma fonte de energia. As fontes de energia elétrica utilizadas em brinquedos e em aparelhos portáteis, como rádios, calculadoras ou relógios digitais, são chamadas pilhas ou baterias. As fontes de energia elétrica necessárias ao funcionamento dos aparelhos eletrodomésticos são as tomadas espalhadas pelos recintos de nossas casas. As tomadas funcionam como fontes de energia porque estão conectadas a outros circuitos que seguem por quilômetros e quilômetros até alcançar a usina geradora de energia elétrica mais próxima. As próprias usinas costumam estar ligadas entre si. Por isso, quando ligamos um aparelho eletrodoméstico em uma tomada, estamos fazendo com que ele participe de um circuito elétrico muito extenso e complexo. Todas as fontes de energia elétrica possuem pelo menos dois terminais. É por essa razão que todos os aparelhos elétricos ligados às fontes precisam utilizar pelo menos dois fios ou dois caminhos metálicos. Os fios, chapas ou outros caminhos elétricos são os elementos que permitem à fonte transmitir energia até o aparelho ligado a ela: uma lâmpada, um motor ou um computador. Os terminais de uma pilha ou bateria são chamados polos. Os polos são identificados pelos símbolos “+” (polo positivo) e “–” (polo negativo). Quando falamos das tomadas de nossa casa, o nome dos terminais muda: um dos terminais é chamado fase e o outro, neutro. Tocar no terminal fase é choque elétrico na certa. Mas não é comum levarmos choque ao tocar no terminal neutro. Como não é possível diferenciá-los só pelo olhar, o melhor é não aproximar as mãos dos terminais de uma tomada sem a orientação de uma pessoa experiente.
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A
B
C
D
Ilustrações: Artur Kenji Ogawa/Arquivo da editora
Pilhas e baterias, que fazem funcionar pequenos aparelhos, filamento de como relógios, lanternas, rádios e outros, fornecem pequena quantungstênio tidade de energia a cada segundo e, por isso, podem ser manipuladas sem riscos de choques. O mesmo não ocorre com baterias utilizadas em carros e outros veículos. O contato com os terminais base dessas baterias provoca choques intensos que podem ser, em almetálica rosca guns casos, fatais. metálica Mas o que ocorre quando ligamos uma fonte de energia, como uma pilha, a uma pequena lâmpada de lanterna? Para compreenbase de porcelana (material não cabos der o que se passa, é útil saber como é uma lâmpada incandescenmetálico) metálicos te “por dentro”. A figura a seguir mostra os principais elementos que constituem uma lâmpada incandescente comum. Observe a ilustração esquemática de uma O elemento principal de uma lâmpada incandescente é o fila- lâmpada incandescente grande, como aquelas que usamos em nossa casa. A estrutura dessa mento, um fio metálico muito fino e “enroladinho” que se aquece lâmpada é igual à das lâmpadas de lanterna e emite luz quando a lâmpada é ligada ao circuito. O filamento de que ligamos às pilhas. Compare a estrutura da uma lâmpada é sustentado por dois cabos metálicos em suas extre- lâmpada real com o esquema indicado na figura. identificar cada um dos elementos midades. Cada um desses cabos, por sua vez, é ligado ou na base da Procure apresentados na ilustração quando estiver lâmpada, na qual podemos observar um ponto de solda, ou na ros- observando a lâmpada real. ca da lâmpada, na qual podemos notar outro ponto de solda. Assim, quando ligamos corretamente a lâmpada à fonte, estabelecemos um circuito fechado, formado por fios metálicos, que unem o polo positivo da pilha ao polo negativo. O termo circuito elétrico está associado: (a) a eletricidade; (b) a caminho fechado (que é o significado do vocábulo "circuito"); (c) ao verbo circular. O verbo "circular" indica a existência de algum tipo de movimento no interior dos fios de ligação, bem como no interior da fonte e da lâmpada. Embora não possamos enxergar o que caminha dentro dos fios, esse tipo de raciocínio nos leva a supor que o circuito funciona quando por ele se estabelece uma corrente elétrica. Assim, a corrente elétrica pode ser entendida como o agente que transfere energia da fonte (pilha) para o aparelho (lâmpada).
Ilustração esquemática, fora de escala. As ligações (A) e (B) constituem um circuito elétrico e permitem o acendimento da lâmpada da lanterna, pois conectam os dois terminais da pilha aos terminais da lâmpada.
Ilustração esquemática, fora de escala. As ligações (C) e (D) não formam um circuito, pois a lâmpada não é conectada aos dois terminais da fonte.
As ligações mostradas na ilustração esquemática e fora de escala ao lado não permitem o funcionamento da lâmpada elétrica incandescente, pois apenas um de seus terminais está conectado aos dois polos da pilha. No circuito (E), os dois polos da fonte são ligados apenas à rosca da lâmpada e, no circuito (F), apenas à sua base.
E
F
Podemos resumir o que dissemos até aqui usando o conceito de corrente elétrica. Para que a corrente elétrica possa se estabelecer no circuito, é necessário que haja, no mínimo: 1. uma fonte de energia elétrica; 2. um aparelho que converta energia elétrica em outras formas de energia; 3. fios de ligação conectando os terminais do aparelho aos terminais da fonte.
Lâmpada conectada a uma pilha em circuito elétrico: existe um caminho fechado ligando um terminal a outro da pilha, passando pelo filamento da lâmpada. Quando o circuito está ligado, uma corrente elétrica “flui” nesse circuito, no caminho indicado pelas setas. A corrente elétrica transfere energia da fonte (pilha) ao aparelho (lâmpada), provocando o aquecimento e o brilho do filamento da lâmpada.
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Alfredo Luis Mateus, Dimitri Bruno Pereira e Gilberto do Vale Rodrigues
Geralmente os circuitos elétricos de nossa casa possuem outros elementos além desses três que foram citados. Esses elementos facilitam o uso e o controle da eletricidade. Alguns dos elementos mais comuns que utilizamos com essa finalidade são: (a) os interruptores, que servem para ligar ou desligar os aparelhos com segurança; (b) os fusíveis ou disjuntores, que servem para proteger os circuitos, desligando-os automaticamente caso ocorra algum problema; (c) as boquilhas, que servem para conectar e trocar mais facilmente as lâmpadas. bateria lâmpada
bateria lâmpada chave interruptora
interruptor
Imagem de um circuito elétrico com uma pilha, uma lâmpada e um interruptor. O interruptor abre ou fecha, interrompendo ou estabelecendo uma corrente elétrica no circuito. Os circuitos elétricos costumam ser representados por meio de diagramas esquemáticos (veja acima e à esquerda). Assim, substituímos a pilha, a lâmpada e o interruptor por símbolos.
Faça em seu caderno
Se possível, traga a lâmpada elétrica e boquilha abertos para mostrar a seus alunos. Consulte o Manual do Professor.
Circuitos elétricos simples
2. A foto ao lado mostra um corte feito em uma boquilha usada para conectar uma lâmpada a um circuito elétrico. O corte permite identificar os elementos que compõem essa parte do circuito. Você pode ainda obter e observar diretamente uma boquilha comum, desde que não esteja ligada à rede elétrica. Faça um esboço dessa imagem em seu caderno e indique as partes feitas com materiais bons condutores de eletricidade e as feitas com materiais isolantes (maus condutores).
fios de ligação parafusos de fixação dos fios
placa para contato com a base da lâmpada
bocal ou rosca base da boquilha
Alfredo Luis Mateus, Dimitri Bruno Pereira e Gilberto do Vale Rodrigues/Arquivo da editora
Artur Kenji Ogawa/Arquivo da editora
1. Observe no esquema abaixo a lâmpada ligada a um circuito. Ela vai acender? Explique sua resposta.
3. Analise a ilustração que representa as partes de uma lâmpada incandescente (página 233). a) Enumere as partes da lâmpada feitas de materiais bons condutores de eletricidade. b) Enumere as partes da lâmpada feitas de materiais isolantes, ou seja, maus condutores de eletricidade. 4. Responda: a) O que é um circuito elétrico e como ele funciona? b) Dê exemplos de circuitos elétricos e seus usos em situações cotidianas.
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A corrente elétrica por dentro dos fios Todos os materiais são constituídos de átomos, e estes contêm muitos elétrons. Nos materiais isolantes, os elétrons estão ligados mais fortemente aos átomos e não podem, em condições normais, mover-se entre eles. Por outro lado, nos metais existe o que chamamos de elétrons livres. A ligação entre esses elétrons e os átomos é mais fraca. Por isso, eles se movem mais livremente entre os átomos que formam a rede cristalina do metal (reveja o texto do Capítulo 4, na página 98). Um dos modelos criados no início do século XX e utilizado até hoje para interpretar o funcionamento dos circuitos elétricos baseia-se nas ideias anteriores. Esse modelo nos diz que:
• a corrente elétrica em sólidos metálicos é formada por uma enorme quantidade de pequenas partículas, de carga elétrica negativa, chamadas elétrons;
• ao ligar o circuito elétrico a uma fonte (como uma pilha), os elétrons sofrem ação de
forças elétricas e, por isso, movimentam-se no circuito no sentido do terminal negativo da fonte para o terminal positivo;
• as reações químicas no interior da pilha permitem o fluxo de elétrons de um polo a outro; • as reações químicas mantêm um polo sempre com falta de elétrons e outro polo sempre com excesso de elétrons. Essa diferença de carga nos terminais ou polos da pilha força a circulação da corrente pelos fios e pelos aparelhos colocados no circuito.
Ligando dois amperímetros ao circuito, verificamos que a intensidade da corrente elétrica não se altera ao passar pela lâmpada. Ao fazer essa ligação, é preciso observar a polaridade do amperímetro. O terminal positivo do aparelho deve ser ligado ao terminal positivo da bateria, ou a fios que estejam ligados a esse terminal, após passar pela lâmpada.
Ilustrações: Artur Kenji Ogawa/Arquivo da editora
Antes do desenvolvimento desse modelo de condução elétrica, os cientistas pensavam que a corrente elétrica nos fios se devia ao movimento de um fluido elétrico que ia do polo positivo, no qual se acumulava em excesso, para o polo negativo. Esse modelo foi abandonado com o desenvolvimento do modelo atômico e a “descoberta” do elétron. Entretanto, por razões históricas, continuamos a representar a corrente elétrica indo do polo positivo ao polo negativo da fonte, embora os elétrons se movimentem no interior do fio no sentido contrário. Essa representação é apenas uma convenção, adotada universalmente. Não é possível ver a corrente elétrica, mas podemos medir seu valor. Isso é feito com um aparelho chamado amperímetro. O nome do aparelho provém da unidade usada para expressar o valor da corrente elétrica (ampère). No funcionamento de uma lâmpada incandescente comum, a corrente elétrica chega a atingir 1 A (lê-se “um ampère”). A corrente nos chuveiros elétricos, por sua vez, chega a valores de até 40 A.
O sentido convencional da corrente elétrica nos fios vai do polo positivo ao polo negativo da fonte, embora o movimento dos elétrons no interior do fio ocorra no sentido oposto.
Para medir a corrente elétrica em um ponto qualquer no circuito, deve-se introduzir o amperímetro naquele ponto de modo que a corrente elétrica passe pelo aparelho.
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Pixtal/Arquivo da editora
O que acontece com a corrente elétrica depois de passar por um aparelho, como uma lâmpada? Podemos verificar isso montando um circuito simples com dois amperímetros (se você possuir esse equipamento, não deixe de fazer a experiência!). O resultado é, para muitos, surpreendente: a corrente elétrica não é consumida no circuito elétrico. A lâmpada, assim como outros aparelhos elétricos, transforma energia elétrica em outras formas de energia. No caso específico da lâmpada, em energia térmica e luminosa. A corrente elétrica transfere a energia da fonte para o aparelho, podendo ser entendida como um veículo de transferência de energia. Apesar de a energia elétrica poder ser transformada em outras formas de energia, o veículo que a transporta – a corrente elétrica – não se modifica. A analogia a seguir pode nos ajudar a compreender isso. Primeiro, pegue uma corda e amarre uma de suas extremidades na outra, de modo que seja possível formar um círculo com ela. Você e alguns colegas vão segurá-la em diferentes pontos e se posicionar formando um círculo. Um de vocês, que fará o papel de fonte de energia, deverá exercer uma força na corda fazendo com que ela se mova em um certo sentido. Mediante a ação exercida por essa força, o nó entre as extremidades da corda deve circular por todos os que vão participar da atividade. Outra pessoa fará o papel da lâmpada e vai segurar a corda entre as mãos, obrigando a “fonte” a fazer um esforço maior para manter o movimento da corda. Os outros da roda farão o papel de fios de ligação e vão apenas manter a corda entre as mãos, sem tentar impedir o movimento dela. A pessoa que faz o papel de fonte de energia, no esforço de manter o movimento da corda, realiza trabalho, assim como a pilha em nosso circuito. A pessoa que tenta impedir o movimento da corda percebe que suas mãos se aquecem em virtude da energia que a “fonte” entrega ao “circuito” por meio do trabalho que realiza. Lembre-se: essa pessoa faz o papel da lâmpada e André Marie Ampère (1775-1836), físico transforma a energia que a fonte disponibiliza ao circuito em outro tipo de francês, estudou os efeitos da corrente energia. Já as pessoas que representam os fios não fazem resistência ao moelétrica desenvolvendo maneiras de medir sua intensidade. Em Ciências, é comum vimento da corda e, por esse motivo, suas mãos praticamente não se aquehomenagear cientistas colocando seu cem. O movimento da corda é o mesmo antes e depois da entrada da pessoa nome nas unidades de medida. O nome de que representa a lâmpada. A corda, assim como a corrente elétrica, apenas Ampère é lembrado na unidade de medida transfere energia de um lugar a outro do circuito. da corrente elétrica. Outra maneira de entender esse resultado consiste em pensar no que acontece dentro dos fios. Como vimos, a corrente elétrica consiste no movimento dos elétrons livres dentro dos fios. A lâmpada não cria nem destrói esses elétrons livres: eles já existem nos fios. Não é possível criar ou destruir os elétrons livres.
Faça em seu caderno A corrente elétrica por dentro dos fios 1. Considere um circuito elétrico constituído por bateria, lâmpada e uma chave, como aquele representado na figura da página 234. Quando ligamos a chave, percebemos que os fios se aquecem e que a lâmpada brilha, transformando energia. No entanto, não vemos o que se passa no interior dos fios. Para entender isso, a Ciência constrói modelos, que criam uma representação do que se passa nos fios, na lâmpada e na bateria. Releia o texto e escreva, com suas palavras, como é o modelo científico que usamos para explicar o que acontece dentro dos fios e na bateria quando a chave do interruptor é ligada. 2. Estudamos, no Capítulo 4, que a carga elétrica dos materiais pode ser transferida de um lugar a outro, mas não pode ser criada ou destruída. Explique então por que a corrente elétrica em uma malha de circuito é a mesma antes e depois de passar por um aparelho, como a lâmpada, no exercício anterior.
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vamos pesquisar Variando o brilho de uma lâmpada em um circuito De que fatores depende o brilho de uma lâmpada em um circuito elétrico? Nesta atividade, vamos investigar essa questão. Como medida de segurança, propomos a utilização de pilhas como fontes de energia. Não há riscos de tomar choques com a manipulação de pilhas, ao contrário do que acontece quando utilizamos tomadas ou baterias de automóveis como fontes de energia elétrica. O inconveniente desse tipo de montagem é a necessidade de conseguir lâmpadas capazes de brilhar com apenas duas pilhas. Enquanto as lâmpadas comuns são vendidas até em padarias, as lâmpadas de lanterna costumam ser comercializadas apenas em lojas especializadas.
Você vai precisar de:
• Duas pilhas de 1,5 V, lâmpada de lanterna que possa ser ligada a duas pilhas simultaneamente, grafita de um lápis tipo HB e fios de ligação de qualquer espessura (de preferência com garras do tipo jacaré), um porta-pilhas ou suporte de madeira com pregos como o das fotos a seguir.
Como fazer:
• Conecte uma das pilhas à lâmpada, fazendo-a acender. • Conecte a segunda pilha em série com a primeira. Se você não tiver porta-pilhas, deve prender as pilhas com pregos fixados em uma base de madeira e conectar o polo positivo de uma pilha ao polo negativo da outra com um arame metálico, como indicado na figura a seguir.
• Observe o brilho da lâmpada e compare-o com o brilho produzido no circuito que continha apenas uma pilha.
• Com as duas pilhas conectadas à lâmpada (figura A), ligue um pedaço de
grafita em série com a lâmpada, como mostra a figura (B). Observe o brilho da lâmpada.
• Mantendo o circuito em funcionamento, faça variar a distância entre os dois
A
B
Fotos: Sérgio Dotta Jr/The next
fios ligados à grafita. Desse modo, é possível alterar o segmento da grafita que vai ser percorrida pela corrente elétrica que flui nos fios, na lâmpada e nas pilhas. Ao reduzir o comprimento da grafita, o que acontece com o brilho da lâmpada?
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Interpretando a atividade 1. Como você explica a variação do brilho da lâmpada quando conectamos duas pilhas em série ao circuito? Lembre-se de que, nesse caso, a corrente elétrica passa pelas pilhas em sequência. 2. Podemos aumentar indefinidamente o número de pilhas ligadas à lâmpada sem danificá-la? Justifique sua resposta. 3. Como você explica a variação do brilho da lâmpada quando conectamos o pedaço de grafita? Para responder a essa questão é importante saber que, além do filamento da lâmpada, a grafita também se aquece levemente com a passagem de corrente. 4. O que acontece com o brilho da lâmpada à medida que o comprimento da grafita ligada ao circuito diminui? Como você explica esse fato?
O consumo de energia elétrica em nossas casas Um circuito elétrico é constituído por fonte de energia, fios de ligação e aparelhos que consomem a energia fornecida pela fonte. Essa energia elétrica “consumida” é transformada, pelos aparelhos elétricos, em outras formas de energia como calor, luz, som e movimento. Uma questão importante é saber quanto se consome de energia. Uma razão para nos preocuparmos com essa medida é que pagamos pela energia que utilizamos. Outra razão é que a produção de energia elétrica envolve impactos ambientais. Para tratar da medida de energia elétrica demandada por um aparelho elétrico, será preciso examinar duas grandezas relacionadas às fontes e aparelhos: a voltagem e a potência.
Voltagem e a caracterização da fonte em um circuito
Fotos: Sérgio Dotta Jr/The Next
Na vida prática, usamos vários aparelhos elétricos e os ligamos a várias fontes. Às vezes, queimamos um aparelho ao conectá-lo a uma fonte inadequada. O que caracteriza uma fonte de energia é sua voltagem. A voltagem indica quanto de energia a fonte é capaz de fornecer para certa quantidade de corrente que passa em seu interior. Se a voltagem é baixa, a fonte fornece, em certo intervalo de tempo, pouca energia a cada ampère de corrente elétrica que passa por ela; se a voltagem é elevada, no mesmo intervalo de tempo há grande transferência de energia da fonte a cada ampère de corrente.
Nessas montagens, uma mesma lâmpada foi ligada a uma e a duas pilhas. Ligada a uma pilha, a voltagem do circuito é de 1,5 V. Ligando duas pilhas em série, teremos uma voltagem de 3,0 V entre o terminal positivo da primeira pilha e o terminal negativo da segunda. Quanto maior a voltagem, maior é a energia fornecida pela fonte à lâmpada em um mesmo intervalo de tempo. Maior, portanto, será a quantidade de luz e calor irradiados pela lâmpada ao ambiente.
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Pixtal/Arquivo da editora
Pilhas comuns apresentam uma voltagem de 1,5 V (volt) e baterias podem apresentar valores maiores – de 6 V, 9 V ou 12 V. Essas baterias fornecem, em relação à pilha comum, respectivamente, quatro, seis e oito vezes mais energia elétrica a cada ampère ou unidade de corrente que circula em seu interior em determinado intervalo de tempo.
Alfredo Luis Mateus, Dimitri Bruno Pereira e Gilberto do Vale Rodrigues/Arquivo da editora
O físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) foi um dos pioneiros na criação de fontes de energia elétrica. Para isso, ele usava “pilhas” de metais diferentes – cobre e zinco, por exemplo – intercalados com papelão ou feltro umedecidos em vinagre. As pilhas e as baterias modernas são feitas de outros materiais, mas funcionam com base no mesmo princípio. O nome de Volta é homenageado na unidade utilizada para determinar a “voltagem” ou tensão elétrica entre os polos de uma fonte de energia.
Em nossa casa, a voltagem é definida pela companhia distribuidora de energia. No Brasil, em algumas cidades, são fornecidas aos consumidores voltagens mais baixas que variam entre 110 V e 127 V. Em outras cidades, os fios de transmissão só fornecem voltagens mais elevadas, de 220 V. A voltagem é uma característica muito importante, mas sozinha não define a quantidade de energia elétrica que é fornecida pela fonte ao circuito. Podemos conectar diferentes aparelhos em uma mesma tomada em nossa casa. Contudo, dependendo dos aparelhos que ligamos, estaremos consumindo quantidades diferentes de energia.
Crédito
Existem muitos tipos de pilhas e baterias. Elas têm diferentes formas, tamanhos e voltagens (na foto, as baterias e pilhas estão fora de escala).
05_10_f026_9CCaS [SUBSTITUIR_aparelho eletrônico e tomadas identificando 110 V e 220 V – utilizar o NOVO PADRÃO de tomadas.]
Ao ligarmos aparelhos em uma tomada, devemos nos certificar se a voltagem da rede corresponde à especificação do aparelho. Se ligarmos um aparelho com a chave na posição 110 V em uma tomada de 220 V, ele vai se queimar imediatamente. Se ligarmos o aparelho com a chave na posição 220 V em uma tomada de 110 V, ele vai apresentar um baixo desempenho, aquecendo menos do que o esperado.
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Faça em seu caderno Ligando o aparelho na voltagem correta 1. Responda: a) O que deve acontecer se você ligar uma lâmpada de lanterna, projetada para ser ligada a uma pilha de 1,5 V, a uma bateria de 9,0 V? b) O que deve acontecer se você ligar uma lâmpada de farolete de carro, projetada para ser ligada à bateria de 12 V, em uma pilha de 1,5 V? 2. Alguns aparelhos possuem uma chave capaz de selecionar a voltagem da rede – 110 V a 127 V ou 220 V. Outros possuem uma especificação única para a voltagem da fonte à qual devem ser conectados. O que acontece se conectarmos um aparelho: a) em uma voltagem superior àquela especificada pelo fabricante?
Pixtal/Arquivo da editora
b) em uma voltagem inferior àquela especificada pelo fabricante?
Potência e medida de consumo de energia O consumo de energia de um aparelho pode ser determinado se conhecemos a potência elétrica dele. A potência elétrica é a quantidade de energia elétrica que o aparelho converte em outras formas de energia a cada segundo e pode ser medida em watts (símbolo: W). Assim, se conhecemos a potência de um aparelho e o tempo que ele permanece ligado, podemos calcular a quantidade de energia elétrica que ele transforma durante esse tempo. Geralmente os aparelhos elétricos trazem informações sobre sua potência e a voltagem que caracteriza a fonte de energia elétrica na qual eles devem ser conectados. Por exemplo, uma lâmpada incandescente pode apresentar a inscrição 100 W / 127 V. Isso significa que ela deve ser conectada a uma tomada de até 127 V para fornecer um brilho apropriado sem se queimar. Caso seja ligada a uma fonte com essa voltagem, a lâmpada vai fornecer uma potência de 100 watts de energia térmica e luminosa ao ambiente. Se você consultar o valor da potência de diversos aparelhos elétricos, O engenheiro escocês James Watt (1736-1819) realizou importantes poderá verificar que a potência de chuveiros, aquecedores elétricos e fermelhoramentos nas máquinas a ros de passar roupas é bem maior que a de pequenas lâmpadas ou aparevapor a fim de aumentar sua potência lhos eletrônicos como um rádio-relógio. mecânica para as mais diversas Para diminuirmos o consumo de energia elétrica em nossa casa, estanfinalidades. Por isso seu nome é utilizado como referência para a do ou não em época de crise no fornecimento de energia, uma boa provimedida de potência, seja elétrica, dência é controlar a duração dos banhos quentes. Outra medida imporseja mecânica. tante é usar corretamente o ferro elétrico, que também é um aparelho de alta potência e, portanto, de alto consumo de energia elétrica. O ferro não deve ser ligado para passar pequenas quantidades de roupa, pois muita energia é necessária para aquecê-lo até a temperatura adequada ao seu funcionamento. Uma vez aquecido, é importante aproveitar o calor para passar maiores quantidades de roupa. Vejamos um pequeno exemplo de como se calcula a energia utilizada por um aparelho elétrico com base em sua potência e no tempo total de seu funcionamento. Suponhamos que quatro pessoas moram em uma casa e tomam um banho de 15 minutos por dia, cada uma. Isso representa 1 hora de chuveiro ligado por dia e 30 horas de chuveiro em funcionamento ao final de um mês de 30 dias. Se a casa utilizar um chuveiro comum, de 4 000 W de potência, o gasto ao final do mês será: 4 000 W × 30 h = 120 000 Wh ou 120 kWh.
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Para compararmos a importância relativa do chuveiro com outros aparelhos existentes na casa, faremos uma nova operação. Suponhamos que a casa em questão possui uma sala, uma cozinha e dois quartos e utiliza quatro lâmpadas de 60 W para a iluminação desses quatro cômodos. Suponhamos, ainda, que cada lâmpada fique ligada por 12 horas, todos os dias. Ao final de um mês de trinta dias, cada lâmpada fica ligada, portanto, 360 horas (12 h/dia × 30 dias = 360 h). O consumo mensal das quatro lâmpadas será igual a: 4 × 60 W × 360 h = 86 400 Wh ou 86,4 kWh
na rede Veja uma simulação que informa o consumo e o custo na conta de luz de diversos eletrodomésticos: <http://www.copel.com/ hpcopel/simulador/>
A. Paramom/Arquivo da editora
Acesso em: 30 nov. 2011.
05_10_f028a_9CCaS [SUBSTITUIR_ reprodução de uma conta de energia elétrica do ano de 2011.]
Reprodução de uma conta de energia elétrica. Cada quilowatt-hora (kWh) é cobrado pela companhia distribuidora que controla o consumo por meio de um relógio medidor instalado na entrada da residência. Ao multiplicar o valor cobrado para cada kWh pelo número de kWh consumido no mês, obtemos o valor básico da conta a ser paga.
A diferença de consumo de energia de vários aparelhos ligados a uma mesma fonte pode ser explicada pela corrente que se estabelece no circuito em cada caso. Quando ligamos um chuveiro de 4 000 W de potência ou um ferro de passar roupas de 1 000 W, correntes elétricas de grande intensidade se estabelecem nos circuitos nos quais esses aparelhos estão ligados. Uma lâmpada de 60 W, por outro lado, é percorrida por uma corrente muito mais baixa. Uma corrente elétrica de maior intensidade transfere mais energia da fonte para o aparelho a cada segundo.
Faça em seu caderno O consumo de energia em diferentes aparelhos elétricos 1. Faça uma lista de aparelhos eletrodomésticos encontrados em sua casa e procure inscrições neles que informem sua potência e a voltagem na qual devem ser ligados. Anote os valores em uma tabela no caderno. 2. Reorganize sua tabela, ordenando as potências dos aparelhos em ordem decrescente. 3. Se os aparelhos listados por você forem ligados a uma mesma voltagem, qual deles será percorrido pela corrente elétrica de: (a) maior intensidade e (b) menor intensidade? 4. Os aparelhos consomem energia elétrica apenas quando estão ligados. Sabendo disso, responda: é possível que, no período de um mês, o consumo de energia elétrica de uma lâmpada de 60 W / 127 V seja maior do que o consumo de um chuveiro de 4 000 W / 127 V? Explique. 5. Seu José deixa a lâmpada da garagem de sua casa sempre acesa durante toda a noite, alegando “motivos de segurança”. Essa lâmpada tem a especificação 127V / 20 W. a) Estime o número de horas diárias que a lâmpada fica acesa na casa de Seu José e o número total de horas ao longo de um mês. b) A partir desse valor, determine o consumo mensal de energia, em watts-hora, necessário para manter acesa a lâmpada da garagem do Seu José durante todas as noites do mês. c) Estime quanto Seu José paga, por mês, para deixar acesa a lâmpada de sua garagem sabendo que a companhia energética cobra R$ 0,45 por cada quilowatt-hora consumido. Lembre-se de que 1 quilowatt-hora equivale a 1 000 watts-hora.
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Resistência elétrica de fios e aparelhos elétricos
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Crédito
Crédito
A corrente elétrica é uma resposta do circuito à voltagem da fonte. Quanto maior a voltagem, maior a intensidade da corrente elétrica que se estabelece no circuito. Mas a intensidade da corrente elétrica não depende apenas da fonte. Podemos obter diferentes valores de corrente usando uma mesma bateria como fonte, apenas variando os aparelhos que ligamos a ela. A característica do circuito que faz variar a intensidade da corrente elétrica é chamada resistência elétrica. Quando a resistência total dos aparelhos ligados a uma determinada fonte aumenta, diminui a corrente que percorre o circuito. É isso que acontece quando introduzimos um pedaço de grafita em um circuito que contém uma lâmpada ligada a uma ou duas pilhas. A introdução da grafita aumenta a resistência do circuito e diminui a corrente que flui através dele. Os fios de ligação também possuem resistência elétrica. O ideal é que o valor da resistência dos fios de ligação seja pequeno se comparado com a resistência elétrica dos aparelhos ligados ao circuito. Assim, o circuito que contém um chuveiro deve ser constituído por fios de ligação bem grossos, já que o chuveiro precisa ser percorrido por correntes elétricas muito intensas. Além da espessura, a resistência elétrica de um fio depende do material de que ele é feito e de seu comprimento. A unidade que usamos para medir resistência elétrica é o ohm, representado pela letra grega Ω (ômega). Uma resistência de 1 ohm é aquela que estabelece uma corrente de 1 ampère quando ligada a uma fonte de 1 volt. A resistência elétrica tem uma aplicação prática muito importante. Sempre que uma resistência é percorrida por uma corrente elétrica, ocorre transformação de energia elétrica em térmica. Isso nos permite utilizar dispositivos elétricos para produzir aquecimento. É o caso dos chuveiros, dos fornos elétricos e dos ferros elétricos de passar roupa. Fios de ligação devem ter baixa resistência, pois seu aquecimento é indesejável e perigoso. Por exemplo, os fios que ligam o circuito de um ferro de passar roupas devem ser grossos, pois são percorridos por correntes de grande intensidade. Deve-se evitar ligar aparelhos de alta potência, como ferros de passar roupas e cortadores de grama, com extensões de fios finos e muito longos.
05_10_f028b_9CCaS [NOVA_ foto de fios elétricos utilizados em instalações elétricas, de diferentes bitolas (espessura) e legenda interna indicando cada uma delas (16 mm2, 6 mm2, 4 mm2, 2,5 mm2 e 1,5 mm2)].
05_10_f028c_9CCaS – foto de chuveiro elétrico aberto, indicando sua resistência e terminais de ligação.
Os fios de ligação que usamos em instalações elétricas residenciais são feitos de cobre, metal que possui baixa resistividade elétrica. Na foto, fios de diferentes espessuras. Qual desses fios você usaria na ligação do padrão geral de sua residência? Qual deles utilizaria para ligar à tomada de um abajur na cabeceira de sua cama?
O chuveiro elétrico possui uma resistência feita com uma liga metálica níquel-cromo. Ao abrirmos a torneira, a pressão da água aciona o circuito elétrico do chuveiro. O fio da resistência se aquece com a passagem da corrente elétrica e, assim, aquece a água.
Faça em seu caderno Resistência elétrica de fios e de aparelhos 1. Quais são os fatores que alteram a resistência elétrica de um fio metálico? 2. Os fios de ligação do circuito elétrico de uma casa devem ter alta ou baixa resistência elétrica? Justifique.
vamos pesquisar Diferentes modos de ligar duas lâmpadas a uma fonte
Atenção! Esta atividade deverá ser feita com lâmpadas de lanterna e pilhas, pois é muito perigoso para pessoas inexperientes fazer ligações elétricas usando a energia fornecida nas tomadas.
Podemos conectar mais de um aparelho em uma mesma fonte de energia. Isso pode ser feito de dois modos: com conexão em série ou com conexão em paralelo. Nesta atividade, você vai aprender o que é isso e como funciona.
Você vai precisar de:
• Duas pilhas, duas lâmpadas de lanterna capazes de brilhar um pouco
quando ligadas a apenas uma pilha, fios de ligação (de preferência com garrinhas jacaré) e quatro garrinhas jacaré extras.
Como fazer:
• Conecte as duas pilhas em série, isto é,
colocando em contato o polo positivo de uma pilha com o polo negativo da outra. Se você não tiver porta-pilhas, use fita adesiva para mantê-las unidas.
• Para ligar as duas lâmpadas em série,
A
B
proceda do modo indicado na imagem a seguir.
a) Conecte um fio ligando o terminal positivo (+) da fonte a um dos terminais da lâmpada (A). b) Conecte um fio ligando o segundo terminal da lâmpada (A) a um dos terminais da lâmpada (B).
Fotos: Acervo dos autores/Arquivo da editora
Ligando as lâmpadas em série
Esquema de lâmpadas conectadas em um circuito em série.
c) Conecte um fio ligando o outro terminal da lâmpada (B) ao terminal negativo (–) da fonte. Note que, ao fazer isso, a corrente estabelecida no circuito passa pela lâmpada (A) e pela lâmpada (B).
• Observe e compare o brilho de cada lâmpada. • Desligue uma das lâmpadas, retirando-a da boquilha ou desconectando um dos fios que chega até ela. Veja o que acontece com a outra lâmpada.
• Ligue apenas uma das lâmpadas às pilhas e compare seu brilho com aquele obtido em cada uma das duas lâmpadas ligadas em série.
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Ligando as lâmpadas em paralelo
• Vamos agora ligar as duas lâmpadas em paralelo. Um dos modos de fazer
A
B
Acervo dos autores/Arquivo da editora
isso é montar dois circuitos praticamente independentes, mas ligados à mesma fonte, como está indicado na imagem abaixo:
Esquema de lâmpadas conectadas em um circuito em paralelo.
a) Conecte um fio com garrinha jacaré ao terminal (+) da fonte. b) Conecte outros dois fios a mesma garrinha e conecte-os a um dos terminais de cada uma das lâmpadas. c) Utilize outra garrinha jacaré e repita o procedimento para ligar o polo (–) da fonte aos outros terminais das duas lâmpadas. Note que, neste circuito, a corrente se divide entre dois caminhos: parte dela passa pela lâmpada (A), e a outra parte, pela lâmpada (B). Cada um desses caminhos permite a circulação de corrente entre os polos da bateria. Observe o brilho de cada uma das lâmpadas.
• • Desligue uma das lâmpadas, retirando-a da boquilha ou desconectando
um dos fios que a conecta aos polos da fonte de energia elétrica. Veja o que acontece com a outra lâmpada.
• Ligue apenas uma das lâmpadas às pilhas e compare a energia luminosa
total oferecida por esse circuito com aquela obtida no circuito com as duas lâmpadas ligadas em paralelo em um mesmo intervalo de tempo.
Interpretando a atividade
na rede Veja um experimento que demonstra a ligação em série e paralelo, duas lâmpadas: <http://pontociencia.org. br/experimentos-interna. php?experimento=737&LA MPADAS+EM+SERIE+E+PAR ALELO>. Acesso em: 30 nov. 2011.
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1. Explique por que, ao retirar uma das lâmpadas ligadas em série, a outra também se apaga. 2. Explique por que isso não ocorre no circuito em paralelo. 3. Compare o brilho de cada uma das lâmpadas ligadas em série com o brilho de uma única lâmpada ligada à mesma fonte. Como você explica esse resultado? 4. O que acontece com o brilho de uma das lâmpadas ligadas em paralelo quando desligamos a outra lâmpada no circuito? Como você explica esse resultado? 5. Compare as situações em que utilizamos duas lâmpadas ligadas em paralelo e apenas uma das lâmpadas ligada à fonte. Em qual dessas duas situações as pilhas vão se descarregar mais rapidamente? Justifique.
A instalação elétrica de nossas casas Como são distribuídos os fios de ligação em nossa casa? Como os aparelhos elétricos estão ligados entre si? O circuito elétrico de uma casa começa com a conexão entre os cabos de distribuição que passam na rua e os fios que ligam esses cabos ao relógio medidor de consumo. Esse relógio é instalado pelas companhias distribuidoras de energia elétrica na frente da casa. Do relógio saem outros fios em direção ao interior da casa. Esses fios seguem até uma caixa conhecida como quadro de distribuição.
05_10_f031_9CCaS [SUBSTITUIR_relógio medidor de consumo de energia elétrica]
Relógio medidor de consumo de energia elétrica. Quanto mais aparelhos estiverem ligados, mais depressa girará o motor instalado no interior do relógio. Um funcionário da companhia distribuidora de energia verifica mensalmente o número de voltas realizadas pelo disco do relógio para que a companhia possa calcular o consumo e definir o valor a ser pago na conta de energia elétrica.
05_10_f032_9CCaS [SUBSTITUIR_quadro de distribuição do circuito elétrico de uma casa]
Foto de quadro de distribuição do circuito elétrico de uma casa. Dentro do quadro existem chaves disjuntoras. Olhando de perto um disjuntor, podemos ver que ele tem um número impresso. Esse número indica o valor máximo de corrente elétrica que pode passar pela parte do circuito ligada ao disjuntor.
Os disjuntores, colocados nas caixas de distribuição de uma residência, são elementos de proteção do circuito. Se houver algum problema no circuito e a corrente superar o valor permitido pela chave, o disjuntor se desarma automaticamente, impedindo superaquecimento e consequente incêndio na instalação elétrica. A outra função dos disjuntores é facilitar o reparo ou a manutenção de elementos da instalação elétrica. Pode-se, por exemplo, desligar o disjuntor que liga o circuito do chuveiro, enquanto se mantém ligado o que permite a circulação de corrente elétrica pelas lâmpadas. Desse modo, pode-se trocar o chuveiro enquanto a lâmpada do banheiro continua acesa. Os aparelhos mais comuns ligados às chaves que existem no quadro de distribuição são lâmpadas, chuveiros elétricos, ferros de passar roupas, geladeiras, aparelhos de som e TV. Esses aparelhos podem ser ligados ou desligados independentemente uns dos outros. No caso das lâmpadas, existem chaves interruptoras que permitem ligar ou desligar cada uma. Mas como será que esses elementos estão ligados entre si? Como eles estão ligados com as chaves de distribuição conectadas aos fios que saem do relógio medidor? Existem duas formas de ligar os elementos de um circuito. Eles podem estar ligados em série ou em paralelo. Na ligação em série, o circuito é o mais simples possível. Os elementos são conectados uns aos outros, de maneira que, se um deles for desligado, todos os outros serão desligados no mesmo instante. Nesse tipo de ligação, existe um único caminho metálico ligando o conjunto dos elementos. Desse modo, a corrente elétrica que passa por um elemento é a mesma que passa por todos os outros.
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Acervo dos autores/Arquivo da editora
Na ligação em paralelo, temos vários circuitos ligados a uma mesma fonte de energia. Cada circuito, também chamado de malha, pode ser ligado ou desligado sem alterar o estado dos outros. Consulte o Manual do Professor e veja como construir um quadro de circuitos que você pode utilizar no desenvolvimento desse conteúdo em sala de aula.
Nesta foto, vemos um quadro montado para fazer demonstrações sobre os tipos de ligação que podem ser realizados entre os elementos de um circuito elétrico. O quadro possui uma chave disjuntora.
Nesta foto, vemos que uma segunda lâmpada, idêntica à primeira, foi ligada em série no circuito. O acréscimo de mais uma lâmpada, nesse caso, aumenta a resistência do circuito à passagem de corrente elétrica. A corrente elétrica diminui e, desse modo, as lâmpadas vão apresentar menor brilho.
Atenção! Evite conectar vários aparelhos a uma única tomada, especialmente quando se tratar de equipamentos que consomem muita energia elétrica. Nesse tipo de ligação, os aparelhos são ligados em paralelo e as correntes que percorrem cada um deles se somam nos fios que chegam na tomada. Tornando-se mais intensa, a corrente pode aquecer os fios, derreter o encapamento isolante que os protege e gerar um curto-circuito.
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Nesta foto vemos que uma segunda lâmpada foi ligada em paralelo à primeira lâmpada. A ligação dessa segunda lâmpada não altera o circuito original que liga a primeira lâmpada à chave disjuntora. Entretanto, a corrente total que passa pela chave disjuntora, agora, é maior do que aquela que passava quando apenas a primeira lâmpada estava ligada ao circuito.
Quando uma lâmpada está ligada a uma fonte de energia e outra lâmpada é conectada à mesma fonte em um circuito paralelo, a corrente total que passa pela fonte aumenta. Você pode verificar isso observando o comportamento do relógio medidor do consumo de energia elétrica. Inicialmente, acenda apenas uma lâmpada da casa e observe o movimento do disco do relógio. Em seguida, acenda várias lâmpadas e volte a observar o disco. Você vai notar que o disco se move mais rapidamente quando várias lâmpadas ou outros aparelhos elétricos estão ligados. Isso acontece porque os aparelhos elétricos, em nossa casa, estão ligados em circuitos paralelos entre si.
Antonio Robson/Arquivo da editora
Em alguns dos circuitos em paralelo que percorrem os cômodos da casa encontramos chaves conhecidas como interruptores. O ato de ligar ou desligar uma lâmpada é possível graças aos interruptores. A figura a seguir mostra como interruptores, lâmpadas e outros aparelhos elétricos encontram-se ligados em circuitos paralelos que saem do quadro de distribuição de energia.
fio neutro
fio fase
lâmpada ferro elétrico
lâmpada liquidificador
lâmpada geladeira
disjuntor interruptor
A ilustração esquemática e fora de escala mostra o circuito que conecta os aparelhos da cozinha e da área de serviço de uma casa. Cada um dos aparelhos está ligado a uma tomada de energia e as lâmpadas possuem interruptores que nos permitem apagá-las ou acendê-las.
MW Editora e Ilustrações Ltda./Arquivo da editora
Sérgio Dotta Jr./The Next
Os disjuntores são usados para evitar acidentes elétricos. Para entender em que circunstâncias eles desempenham essa função, suponha que uma pessoa esteja passando roupas e que os fios de ligação do ferro de passar não estejam bem encapados. Nesse caso, os fios fazem contato direto entre si fechando o circuito elétrico sem que a corrente elétrica precise circular pelo aparelho. Ocorre o que chamamos curto-circuito. Quando acontece um curto-circuito, a chave disjuntora é desarmada. Só devemos ligá-la novamente depois de descobrir o que provocou o curto-circuito. Durante um curto-circuito, a corrente elétrica que se estabelece nos fios se torna muito intensa e, por isso, os fios se aquecem e queimam. Se a corrente não for interrompida imediatamente pelo disjuntor, o fogo pode se alastrar pelos fios e atingir madeiras, tecidos e outros materiais combustíveis. Mesmo com a ação dos disjuntores, pequenas fagulhas podem dar início a incêndios. Essa é a razão pela qual cuidar da instalação elétrica é algo muito importante.
Um curto-circuito pode ser muito perigoso. Ele acontece quando os fios de ligação que conectam os terminais da fonte entram em contato.
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Faça em seu caderno O circuito elétrico de nossas casas 1. Cite uma evidência de que os aparelhos elétricos estão ligados, em nossa casa, em circuitos em paralelo e não em circuitos em série. 2. Cada lâmpada de uma casa pode ser ligada ou desligada por meio de uma chave interruptora. A chave está ligada em série ou em paralelo com a lâmpada? Explique. 3. Hoje encontramos pisca-piscas de árvores de Natal com cem ou duzentas lâmpadas. Todas essas lâmpadas encontram-se ligadas em série ou em paralelo? Explique. 4. O quadro a seguir mostra os valores da resistividade elétrica de vários metais. Os materiais que têm alta resistividade são aqueles que apresentam maior resistência elétrica, comparando-se fios de mesmas dimensões (espessura e comprimento). Material
Platina
Prata
Cobre
Tungstênio
Níquel-cromo
resistividade (em 10–8 7 m)
1,6
1,6
1,7
5,5
100
a) Cobre, prata, ouro e platina são excelentes condutores elétricos (possuem baixa resistividade). Então, por que as ligações elétricas são feitas preferencialmente com fios de cobre, sendo incomum o uso de prata, ouro ou platina para esse fim? b) Níquel-cromo é uma liga metálica de alta resistividade. As resistências de chuveiros elétricos são, geralmente, feitas com esse material. Suponha que uma pessoa desavisada e imprevidente substitua a resistência de seu chuveiro por um fio de cobre de mesmo comprimento e diâmetro. Preveja e explique o resultado desse infeliz procedimento. 5. Observe e compare os filamentos de duas lâmpadas incandescentes de mesma voltagem, sendo a potência de uma delas 25 W e a potência da outra 100 W (ou superior). Anote no caderno as diferenças nas dimensões do filamento e responda: Qual delas possui maior resistência elétrica? Justifique.
05_10_f039_9CCaS [NOVA_foto comparando os filamentos de duas lâmpadas incandescentes de mesma voltagem, sendo a potência de uma delas 25 W e a potência da outra 100W (ou superior)]
Como se comparam as resistências de lâmpadas incandescentes de diferentes potências?
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Para conhecer mais Circuitos elétricos de corrente alternada
Antonio Robson/Arquivo da editora
As fontes de tensão elétrica têm, pelo menos, dois terminais. Um dos terminais é dito positivo em relação ao outro, dito negativo. As pilhas e as baterias são fontes de energia cuja polaridade é sempre a mesma, ou seja, seus polos não se alternam durante o funcionamento. Assim, um dos terminais de uma pilha é sempre positivo e o outro, sempre negativo. Ao ligarmos uma pilha a um circuito, a tensão, ou voltagem, provoca o aparecimento de uma corrente elétrica nos fios, e essa corrente terá sempre o mesmo sentido. Ao contrário disso, algumas fontes alternam a polaridade entre os seus terminais. É isso o que acontece nas tomadas de nossa casa. Um dos terminais, chamado fase, é ora negativo, ora positivo em relação ao outro, o terminal neutro, alternando a polaridade 60 ciclos por segundo (ou 60 hertz). Assim, uma tomada faz movimentar os elétrons nos fios de ligação e nos aparelhos ora em um sentido, ora em outro. Dizemos que essas correntes são alternadas. As correntes geradas por pilhas e baterias são denominadas correntes contínuas. Alguns aparelhos podem ser alimentados indiferentemente por fontes de tensão contínua ou alternada. É o caso de todos os aparelhos que convertem energia elétrica em energia térmica. Outros aparelhos, como rádios e calculadoras, só funcionam com correntes contínuas. Se quisermos ligá-los à tomada de nossas residências, precisamos utilizar um circuito retificador (um eliminador de pilhas), que converte corrente alternada em corrente contínua. De acordo com o novo padrão brasileiro, as tomadas de residências possuem um terceiro terminal, chamado fio terra. O terminal do fio terra deve ser ligado ao solo por meio de uma barra metálica de modo a proteger aparelhos ligados ao circuito de eventuais oscilações na tensão da rede elétrica, sobretudo em dias de tempestade. Alguns aparelhos eletrônicos, como computadores, são especialmente vulneráveis a essas oscilações.
pino neutro pino terra pino fase
Ilustração esquemática de uma tomada de três pinos utilizada no novo padrão brasileiro. Em uma instalação, o terceiro terminal deve ser conectado a uma haste-terra, para proteção do circuito e aparelhos.
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O que é o choque elétrico? O que acontece quando levamos um choque? Choque elétrico é o nome que damos à sensação e aos efeitos provocados pela passagem de corrente elétrica por nosso corpo. Fios mal encapados nos expõem a esse risco. A corrente elétrica que passa por nosso corpo tende a seguir para o solo. Essa é a razão pela qual o risco de tomar choques é menor quando usamos calçados de borracha. A borracha é um material isolante e impede que a corrente se estabeleça entre o fio fase, nosso corpo e o solo. A gravidade do choque depende de vários fatores. O principal deles é a intensidade da corrente elétrica estabelecida em nosso corpo. Fontes de baixa tensão, como pilhas e baterias de aparelhos eletrônicos, não provocam choques perceptíveis. Isso acontece porque a corrente elétrica estabelecida nesses casos tem valores muito baixos. A duração do choque e a região do corpo na qual ele se estabelece são outros fatores que podem atenuar ou agravar seus efeitos no organismo. Em geral, nosso corpo é um excelente condutor de corrente elétrica e apenas nossa pele apresenta alguma resistência à passagem dela. Quando a pele está seca, sua resistência elétrica é maior do que quando está úmida. Quando estamos Quando tocamos os terminais com a pele umedecida de suor, por exemplo, ela oferece menor resistência à pasde pilhas ou baterias de sagem de corrente. O depósito de água salgada em nossa pele aumenta sua capaaparelhos eletrônicos não cidade de conduzir corrente elétrica, o que aumenta a intensidade da corrente essentimos choques, pois a corrente elétrica que percorre tabelecida no interior do corpo. Nesse caso, os efeitos do choque podem ser ainda nosso corpo é de baixíssima mais graves. intensidade.
Antonio Robson/Arquivo da editora
Fotos: Alfredo Luis Mateus, Dimitri Bruno Pereira e Gilberto do Vale Rodrigues
Cuidado com o choque!
Nunca mude a posição das chaves ligar/ desligar e inverno/verão com o chuveiro em funcionamento!
Antenas devem ser instaladas longe da rede elétrica para não tocar em fios ou cabos de distribuição.
Não segure em cabos de energia elétrica, pois seu corpo poderá se tornar parte do circuito elétrico!
Ilustração esquemática de situações cotidianas envolvendo riscos de choque elétrico.
O risco de choques intensos também aumenta quando lidamos com uma fonte de alta-tensão (alta voltagem). Quanto mais alta a voltagem de uma fonte de energia elétrica, maior tende a ser a corrente elétrica no circuito ligado a essa fonte. Por isso, é tão perigoso empinar pipas nas proximidades da rede elétrica. Em dias úmidos, a linha da pipa pode conduzir a corrente dos cabos elétricos até o solo, passando pelo corpo da pessoa que segura a pipa. Os cabos mais altos da rede de distribuição têm alta voltagem, e entrar em um circuito ligado a eles é uma experiência quase sempre fatal.
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na rede Conheça mais informações sobre choque elétrico, como evitá-los e primeiros socorros: <http://www.ufrrj.br/institutos/ it/de/acidentes/eletric.htm>. Acesso em: 30 nov. 2011.
Fotos: Alfredo Luis Mateus, Dimitri Bruno Pereira e Gilberto do Vale Rodrigues/Arquivo da editora
Os choques mais fracos são sentidos como um leve formigamento, o que ocorre com correntes a partir de 1 mA (1 miliampère, 1 milésimo de ampère ou, ainda, 0,001 A). De 5 mA (0,005 A) em diante, o choque é acompanhado da sensação de dor. Quando a intensidade da corrente é superior a 10 mA (0,010 A), o choque tende a provocar a contração involuntária dos músculos. Essa contração pode agravar os efeitos do choque, pois em muitos casos a mão da pessoa, ao se contrair, fica presa ao fio, prolongando a duração do choque e, portanto, agravando os danos causados a seus sistemas nervoso e muscular. Correntes acima de 20 mA podem ser fatais, pois podem provocar paradas carA diorrespiratórias. Entretanto, o problema mais grave ocorre de 100 mA em diante, quando há fibrilação dos músculos cardíacos. A fibrilação é um estado em que os músculos cardíacos se distendem e se contraem de forma incontrolável e não coordenada. Desse modo, o coração perde sua capacidade de bombear sangue.
B
Eletricistas, ao fazerem reparos na instalação elétrica, devem tomar os seguintes cuidados: (A) desligar as chaves do circuito, interrompendo o fornecimento de energia aos fios de ligação; (B) usar instrumentos como uma chave-teste ou um aparelho medidor para certificar-se de que os fios dos circuitos foram efetivamente desligados da rede elétrica.
vamos pesquisar De quantas maneiras é possível ligar três lâmpadas idênticas a uma mesma fonte de energia? Como se compara o brilho das lâmpadas em cada uma dessas diferentes ligações? Discuta o problema com seu grupo, faça diagramas para planejar a construção de cada circuito e então execute os seus projetos de circuito, utilizando para isso fios de ligação, pilhas e lâmpadas. Manipule cada uma das montagens e anote, em cada caso, as características dos circuitos em termos do brilho exibido pelas lâmpadas. Descubra, também, o que ocorre com as outras lâmpadas quando uma delas é desconectada do circuito.
Sérgio Dotta Jr./The Next
Qual é o circuito?
Material para realização da atividade: 4 pilhas comuns (1,5 V) e suportes para pilhas, 3 lâmpadas de lanterna, fios de ligação. Cada uma das lâmpadas deve acender quando ligada a 4 pilhas em série (6 V), mas também apresentar brilho tênue quando ligada a apenas uma pilha (1,5 V).
251
Lendo e avaliando a leitura Eletricidade controlando as batidas do coração O ritmo das batidas cardíacas é regulado eletricamente por um conjunto de células especiais, que formam o “marca-passo” natural do coração. Essas células geram pequenos pulsos elétricos, em ritmo regular. Os pulsos são transmitidos aos músculos cardíacos, fazendo-os contrair. Algumas vezes, as células do marca-passo de nosso corpo passam a gerar sinais irregulares. Nesse caso, os médicos implantam um pequeno aparelho eletrônico que tem a mesma função do marca-passo natural.
05_10_f046_9CCaS [NOVA_1º marca-passo artificial utilizado em corações, utilizar como referência a imagem disponível em: http://www. blogsabermedico.com.br/noticias/ marca-passos-evoluem-e-estao-cada-vezmenores-e-mais-sofisticados].
Imagem do primeiro marca-passo instalado com sucesso no coração de um engenheiro sueco em 1958. Os modelos atuais são bem menores (alguns do tamanho de uma moeda de 1 real) e podem ser implantados no corpo do paciente. Os modelos externos possuem baterias que são substituídas com o uso e os que são implantados permitem recarga das baterias.
Os músculos cardíacos são comandados por sinais elétricos. Isso nos permite compreender por que os choques elétricos podem causar paradas cardíacas. Se a corrente elétrica provocada pelo choque for superior à pequena corrente gerada pelas células do marca-passo, ela pode interferir no ritmo e na sintonia com que as várias células dos músculos cardíacos operam. Há casos em que os choques são utilizados para salvar vidas. Aparelhos chamados desfibriladores são usados para reativar o músculo cardíaco ou reordenar os sinais emitidos pelo marca-passo natural. Os outros músculos de nosso corpo são também comandados por meio de sinais elétricos. Isso explica o porquê das contrações musculares involuntárias que acompanham choques elétricos a partir de certa intensidade. Explica, também, as paradas cardiorrespiratórias, pois são os movimentos do músculo do diafragma que permitem a entrada e a saída de ar nos pulmões. O diafragma é um grande músculo que separa a região ocupada pelo pulmão da região ocupada pelos órgãos situados na parte inferior do abdome. Avaliando a leitura
• O texto apresenta evidências de que músculos do nosso corpo são comandados por sinais elétricos. Apresente e comente duas dessas evidências.
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Aplicando o que aprendemos Eletricidade em nossas casas
revestimento plástico
botão do interruptor
_
+
_
contatos metálicos do interruptor
refletor
+
Antonio Robson/Arquivo da editora
1. Observe a ilustração, que é uma representação esquemática de uma lanterna de mão. Em seguida, faça o que se pede.
filamento da lâmpada
mola metálica
pilhas
boquilha para lâmpada
a) Descreva em detalhe o que acontece no circuito quando os contatos metálicos do interruptor se fecham. b) Copie a ilustração em seu caderno e indique por onde passa a corrente elétrica que percorre o circuito, fazendo acender a lâmpada. c) Usando símbolos, represente em seu caderno um circuito equivalente ao da lanterna.
circuito 1
Artur Kenji Ogawa/Arquivo da editora
2. Um estudante conecta duas lâmpadas idênticas a uma mesma bateria. Ele faz isso de três modos distintos, como indicado nas ilustrações abaixo.
circuito 2
circuito 3
Transcreva em seu caderno a sentença que expressa uma ideia correta a respeito desses circuitos: No circuito 1, apenas a primeira lâmpada acende. No circuito 2, a lâmpada da esquerda tem maior brilho do que a da direita. No circuito 3, as lâmpadas brilham com maior intensidade do que no circuito 2. No circuito 3, as lâmpadas estão ligadas em série.
• • • •
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Pedro Rubens/Arquivo da editora
Fotos: Sérgio Dotta Jr./The Next
3. Pilhas grandes ou pequenas possuem a mesma voltagem, igual a 1,5 V. A diferença entre essas pilhas está na durabilidade. As pilhas pequenas contêm pouca energia armazenada e, assim, apresentam menor durabilidade do que as pilhas grandes. O rádio e o carrinho com controle remoto mostrados nas fotos a seguir funcionam com pilhas ligadas em série.
O porta-pilhas do rádio é adaptado para pilhas pequenas e o do carrinho, para pilhas grandes. Baseando-se nessas informações, responda: a) Qual é a voltagem recomendada para o funcionamento dos dois aparelhos? b) O carrinho poderia funcionar com pilhas pequenas? Qual seria a desvantagem disso? c) O rádio poderia funcionar com pilhas grandes? Qual seria a desvantagem disso? 4. Considere que, durante um dia, três aparelhos elétricos foram usados em uma residência. Na tabela, são dados os valores de potência e tempo de funcionamento de cada um dos aparelhos no dia em questão: Aparelho
Potência
Tempo de funcionamento
chuveiro elétrico
4 000 W
1/4 h (15 min)
TV
150 W
6 horas
freezer
400 W
4 horas
Copie em seu caderno a alternativa que indica corretamente o aparelho que consumiu mais energia nesse dia: O freezer, por apresentar maior produto potência versus tempo (P × t). O chuveiro, por ter a maior potência dentre todos os aparelhos. A TV, por ter ficado ligada durante o maior intervalo de tempo.
• • •
Artur Kenji Ogawa/Arquivo da editora
5. A ilustração esquemática a seguir mostra três elementos que deverão ser ligados uns aos outros.
Copie a figura em seu caderno e represente fios conectando a pilha às lâmpadas de modo que: a) quando uma das lâmpadas se queima, a outra permanece acesa; b) quando uma das lâmpadas se queima, a outra também se apaga – apesar de ainda estar em perfeitas condições.
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Ilustrações: Artur Kenji Ogawa/ Arquivo da editora
6. Na ilustração esquemática deste exercício mostramos uma pilha, duas lâmpadas e dois interruptores.
Copie os elementos da figura em seu caderno para representar: a) um circuito com apenas uma das lâmpadas e um dos interruptores ligados à pilha; b) um circuito com duas lâmpadas e dois interruptores, no qual as lâmpadas podem ser ligadas ou desligadas independentemente uma da outra. 7. Considere uma ligação de lâmpadas para enfeites de Natal formada por dez lâmpadas ligadas em série no circuito, como mostra a ilustração esquemática deste exercício.
5
4
6
7
8 9
3 2 1
10
Copie em seu caderno a sentença que melhor expressa o que acontecerá se a lâmpada 4 do circuito for apagada: As demais lâmpadas permanecem acesas. Todas as lâmpadas se apagam. As três primeiras lâmpadas permanecem acesas e as demais se apagam. As três primeiras lâmpadas se apagam e as demais permanecem acesas.
• • • •
8. Um estudante montou um circuito elétrico corretamente, mas a lâmpada não acendeu. Quais problemas podem ter acontecido para que a lâmpada não tenha acendido? 9. Qual é o aparelho que possui maior resistência elétrica: um chuveiro elétrico (potência de 4 000 W) ou uma lâmpada incandescente de 40 W? Justifique sua resposta. 10. Curtos-circuitos ocorrem quando fios de ligação fazem contato e, assim, o circuito se fecha sem que a corrente elétrica passe pelo aparelho. Quando ocorre um curto-circuito, os fios se aquecem demasiadamente e, caso o circuito não seja interrompido, podem gerar incêndios. Copie em seu caderno a afirmativa correta sobre o que acontece com a resistência e a corrente elétrica em caso de curto-circuito: A resistência elétrica dos fios é grande, assim como a intensidade da corrente elétrica. A resistência elétrica dos fios é muito baixa e a corrente elétrica neles é muito alta. A resistência elétrica dos fios é grande e a corrente elétrica é baixa. A resistência elétrica do circuito não se altera, apenas a intensidade da corrente elétrica.
• • • •
255