Energia e Fenómenos Elétricos - FQA - 10º ano

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2. Energia e fenĂłmenos elĂŠtricos

Professora Isabel Reis

Corrente elétrica A corrente elétrica consiste no movimento orientado de partículas com

carga elétrica, através de um circuito fechado.

Essas partículas podem ser : • eletrões nos METAIS •

iões em SOLUÇÕES CONDUTORAS (eletrolíticas)

• eletrões e iões em GASES IONIZADOS

Professora Isabel Reis

Em SOLUÇÕES CONDUTORAS

Em METAIS

ELETRĂ•ES

Ă GUA IĂ•ES

Cℓ− +

đ???đ??š

Iþes da rede metålica Em GASES IONIZADOS Lâmpada fluorescente:

+

+ -

IĂ•ES

-

+ + -

+

+ ELETRĂ•ES

Professora Isabel Reis

đ???đ??š+

Cℓ−

Cℓ− đ???đ??š+

Polo positivo (+) Polo negativo (-)

Condutor metálico

Os metais possuem baixas energias de ionização. Os eletrões de valência dos seus átomos saem facilmente da ação dos núcleos, movendo-se desordenadamente (eletrões livres). Quando ligado a um gerador elétrico, os eletrões livres de um condutor metálico movem-se ordenadamente do polo negativo para o polo positivo. Professora Isabel Reis

Sentido convencional

Sentido real O sentido em que se movem os

Por convenção, considera-se que o

eletrões no seu movimento orientado

sentido da corrente elétrica é o sentido

chama-se sentido real da corrente.

contrário ao do movimento das cargas negativas (sentido convencional da corrente elétrica). Professora Isabel Reis

Circuito elétrico

Um circuito elétrico é um conjunto de componentes ligados por fios,

que inclui geradores e recetores.

Professora Isabel Reis

Professora Isabel Reis

Geradores Os geradores são dispositivos que fornecem energia elétrica aos

circuitos, originando um movimento orientado de portadores de carga elétrica. A energia elétrica é obtida a partir de transformações provenientes de

processos químicos, mecânicos ou eletromagnéticos. A energia é transportada pelas partículas com carga elétrica e transferida para os recetores de energia do circuito.

Professora Isabel Reis

Os geradores podem gerar dois tipos de corrente elétrica: • corrente contínua

• corrente alternada

Uma corrente elétrica diz-se contínua quando os portadores de carga elétrica se deslocam sempre no mesmo sentido e diz-se alternada quando mudam periodicamente de sentido. Professora Isabel Reis

Numa corrente contínua, o valor da corrente elétrica é constante.

Numa corrente alternada, o valor varia periodicamente.

É simbolizada pela sigla CC ou DC.

É simbolizada pela sigla CA ou AC.

Símbolo nos aparelhos de medida:

Símbolo nos aparelhos de medida:

Professora Isabel Reis

Conversão da corrente alternada em contínua Há aparelhos que transformam a corrente alternada em contínua e vice-versa, que são designados transformadores. AC U = 230 V

Transformadores

DC U << 230 V

O carregador do telemóvel e o carregador do computador portátil convertem corrente alternada em corrente contínua e reduzem a diferença de potencial (U). Professora Isabel Reis

Corrente elétrica (I) A grandeza corrente elétrica (I) é a quantidade de carga elétrica que atravessa uma secção reta de um condutor, por unidade de tempo. Mede-se com amperímetros e a sua unidade SI é o ampere (A).

Secção reta do condutor Professora Isabel Reis

|đ?‘ž| đ??ź= ∆đ?‘Ą Unidades do Sistema Internacional (SI): Corrente elĂŠtrica ( I) – ampere (A)

Intervalo de tempo (∆đ?‘Ą ) – segundo( s) Carga elĂŠtrica ( q ) – coloumb (C)

sempre mĂşltiplo da carga do eletrĂŁo đ?‘želetrĂŁo = −1,6 Ă— 10−19 C

Professora Isabel Reis

AndrÊ-Marie Ampère (1775-1836)

Um amperĂ­metro intercala-se em sĂŠrie com os dispositivos do circuito.

Professora Isabel Reis

Diferença de potencial elÊtrico Diferença de potencial (U) ou tensão Ê a energia transformada entre

dois pontos do circuito, por unidade de carga que passa entre eles.

đ??¸ đ?‘ˆ= |đ?‘ž| Unidades do Sistema Internacional (SI): Diferença de potencial ( U ) – volt (V) Energia ( E ) – joule ( J ) Carga elĂŠtrica ( q ) – coulomb (C) Professora Isabel Reis

Alessandro Volta (1745-1827)

Um voltĂ­metro instala-se em paralelo com o dispositivo cuja tensĂŁo se pretende medir.

Professora Isabel Reis

Analogia da corrente elétrica com “transportadores de energia elétrica”:

Durante o movimento ao longo do circuito, a energia elétrica que o transportador carrega é transferida (a maior parte para a lâmpada) e

transformada noutras formas de energia. É apenas a energia elétrica que é cedida ao circuito, não é a carga nem a corrente elétrica. Professora Isabel Reis

PotĂŞncia elĂŠtrica A grandeza potĂŞncia elĂŠtrica (P) ĂŠ a quantidade de energia elĂŠtrica fornecida por unidade de tempo a um condutor cuja tensĂŁo entre os terminais ĂŠ U e no qual a corrente elĂŠtrica tem o valor I. A partir das expressĂľes:

đ??¸ đ?‘ˆ= |đ?‘ž|

P=

đ??¸ ∆đ?‘Ą

Conclui-se que:

P=UI Professora Isabel Reis

|đ?‘ž| đ??ź= ∆đ?‘Ą

đ?‘ƒ = đ?‘ˆđ??ź Unidades no SI: đ?‘ƒ

potência transferida – watt (W)

đ?‘ˆ

d.d.p. elÊtrico nos terminais de um componente – volt (V) corrente elÊtrica que passa num componente – ampere (A)

đ??ź

O watt (W) ĂŠ igual ao joule por segundo (J/s).

Professora Isabel Reis

James Watt (1736-1819)

Resistência elÊtrica de um condutor A resistência elÊtrica Ê uma grandeza que mede a oposição que um material oferece à passagem de corrente elÊtrica.

đ?‘ˆ đ?‘…= đ??ź

Unidades no SI:

R

Ί (ohm)

U

V (volt)

I

A (ampere) George Simon Ohm (1789-1854)

A resistĂŞncia elĂŠtrica de um condutor ĂŠ igual ao quociente entre a

diferença de potencial elĂŠtrico, U, aplicada aos terminais do condutor e a corrente elĂŠtrica, I. A unidade SI de resistĂŞncia elĂŠtrica ĂŠ o ohm, ď —. Professora Isabel Reis

As principais aplicações das resistências são limitar a corrente elétrica, a tensão elétrica e, em certos casos, transferir energia sob a forma de

calor.

A

B

C

Exemplo de uma resistência fixa (A) e de resistências variáveis:

potenciómetros (B) e reóstato (C). Professora Isabel Reis

As resistências de carvão possuem anéis coloridos que permitem determinar o seu valor através da utilização de um código de cores:

Professora Isabel Reis

Exemplo:

Professora Isabel Reis

A resistência elétrica de um condutor pode ser medida diretamente com um ohmímetro.

A resistência elétrica de um condutor também pode ser medida

indiretamente com um voltímetro e um amperímetro.

Professora Isabel Reis

Lei de Ohm Verifica-se experimentalmente que, em muitos materiais, incluindo a maioria dos metais, a resistĂŞncia, R, permanece constante, a uma dada temperatura. Este comportamento ĂŠ conhecido como Lei de Ohm e os condutores designam-se por condutores Ăłhmicos ou lineares.

đ?‘ˆ đ?‘…= đ??ź

Professora Isabel Reis

Resistência elétrica de um condutor homogéneo e filiforme

De dois condutores do mesmo

De dois condutores do mesmo

material e com a mesma área

material e com o mesmo

de secção reta, tem maior

comprimento,

resistência o que tiver maior

resistência o que tiver menor

comprimento.

área de secção reta. Professora Isabel Reis

tem

maior

Unidades no SI:

â„“ đ?‘…=đ?œŒ đ??´

R đ?œŒ â„“ đ??´

Ί Ίm m m2

A resistência Ê diretamente proporcional ao comprimento, para uma determinada årea de secção reta. A resistência Ê inversamente proporcional à årea de secção reta, para um determinado comprimento. A constante de proporcionalidade Ê a resistividade do material. Professora Isabel Reis

EXEMPLO

Variação da resistência num reóstato. 3

1 2

O reóstato (resistência variável) é um dispositivo constituído por um

enrolamento de fio condutor e um cursor que se move ao longo deste: • A corrente percorre o fio enrolado apenas entre os pontos 1 e 3. • O cursor 3 desliza entre 1, resistência zero, e 2, resistência máxima. Professora Isabel Reis

Quanto maior for o comprimento do fio condutor que é percorrido por corrente elétrica, maior será a sua resistência elétrica.

Professora Isabel Reis

RESISTIVIDADE DE ALGUNS MATERIAIS COMUNS, A 20 °C

Professora Isabel Reis

A resistividade de bons condutores ĂŠ inferior Ă apresentada

pelos semicondutores que, por sua vez, ĂŠ inferior Ă dos maus condutores e isoladores.

Resistividade, đ??†/đ?œ´đ??Ś a 20 °C: Metais: 10−8 a 10−7

Ligas metĂĄlicas: 5 Ă— 10−7 Semicondutores: 10−5 a 102 Vidro: 1012 a 1013

Professora Isabel Reis

VARIAÇÃO DA RESISTIVIDADE COM A TEMPERATURA

A temperatura a que se encontra um condutor tem implicação no valor da resistividade que este apresenta. A variação da resistividade depende da estrutura química do material condutor.

A resistividade das ligas metálicas constantan e manganina (Cu, Ni e Mn em determinadas proporções) praticamente não varia com a

temperatura. Por isso, estas ligas são usadas para fabrico de resistências padrão.

Professora Isabel Reis

Nos metais, de um modo geral, a resistividade aumenta com o aumento da temperatura.

Professora Isabel Reis

Existem outros materiais, como os semicondutores, cuja resistividade se altera com pequenas variações de temperatura, sendo utilizados em

dispositivos designados por termístores.

Principais aplicações dos termístores: sensores de temperatura, termómetros, termóstatos, detetores de incêndio e dispositivos de

proteção de sobreaquecimento, limitando a corrente elétrica. Professora Isabel Reis

Existem dois tipos de termístores: PTC (coeficiente de temperatura positivo) – a resistência aumenta com

o aumento da temperatura. NTC (coeficiente de temperatura negativo) – a resistência diminui com

o aumento da temperatura.

PTC

NTC

Professora Isabel Reis

EFEITO JOULE O efeito térmico provocado pela passagem de corrente elétrica através de um condutor elétrico, que transfere energia como calor

para a vizinhança, designa-se por Efeito Joule.

Dependendo da função do componente elétrico, o efeito Joule tanto

pode ser benéfico como prejudicial. Professora Isabel Reis

IÃO METÁLICO ELETRÃO DE CONDUÇÃO

Os eletrões de condução sofrem inúmeras

colisões

com

os

iões,

transferindo continuamente energia para eles. James Prescott Joule (1818-1889) descreveu o efeito térmico da corrente elétrica. Professora Isabel Reis

Também

os

filamentos

de

tungsténio

nas

lâmpadas

de

incandescência utilizam o efeito Joule para atingirem uma temperatura suficientemente elevada para ficarem incandescentes.

A maior parte da energia elétrica que este tipo de lâmpadas recebe acaba por ser dissipada por efeito Joule, pelo que o seu rendimento é muito baixo.

Professora Isabel Reis

Proteção de circuitos elétricos Os fusíveis são dispositivos que protegem os circuitos elétricos através do efeito Joule.

O fusível é um fio condutor, com baixo ponto de fusão, intercalado num circuito elétrico. Se a corrente aumentar bruscamente, o fusível funde protegendo o circuito elétrico ( o circuito fica aberto).

Professora Isabel Reis

PotĂŞncia dissipada por efeito Joule A partir da expressĂŁo:

P = đ?‘ˆđ??ź

ObtĂŠm-se:

A partir da expressĂŁo:

đ?‘ˆ = đ?‘…đ??ź

P= đ?‘…đ??ź2

P = đ?‘ˆđ??ź

ObtĂŠm-se:

e substituindo U:

e substituindo I:

đ?‘ˆ2 đ?‘ƒ= đ?‘… Professora Isabel Reis

đ?‘ˆ đ??ź= đ?‘…

Energia dissipada por efeito Joule Sendo E = P x Δt , a energia dissipada por efeito Joule Ê dada pela expressão:

2

đ??¸ = đ?‘…đ??ź ∆đ?‘Ą Unidades no SI:

đ??¸

energia dissipada – joule (J)

đ?‘… đ??ź ∆đ?‘Ą

Resistência elÊtrica do componente – ohm(ℌ) corrente elÊtrica que passa num componente – ampere (A) intervalo de tempo – segundo (s)

Professora Isabel Reis

RELAĂ‡ĂƒO ENTRE O BRILHO E CARACTERĂ?STICAS DE LĂ‚MPADAS DE FILAMENTO

đ?‘ˆ2 đ?‘ƒ= đ?‘…

Maior P ď § Menor R ď § Maior I

Professora Isabel Reis

Energia dissipada e eficiência energética

Eficiência energética

Eficiência energética

Energia dissipada

Energia dissipada

Etiquetas energéticas usadas para classificar a eficiência dos eletrodomésticos.

Professora Isabel Reis

Iluminação LED Os LED são díodos emissores de luz cada vez mais utilizados na

iluminação pública e de interiores devido às suas elevadas eficiência e duração média de vida.

Na constituição do LED há materiais semicondutores que produzem luz por excitação e desexcitação eletrónica, dissipando muito pouca energia por efeito Joule.

Professora Isabel Reis

LED vs outros sistemas de iluminação

 Maior eficácia luminosa (maior relação entre o fluxo luminoso e a potência consumida – superior a 100 lm/W))  Maior vida útil – 60 000 h  Tamanho reduzido – maior versatilidade  Elevada resistência mecânica  Amigos do ambiente (não utilizam gases poluentes)

 Incandescentes – emitem radiação devido ao efeito Joule da corrente elétrica – há grande dissipação de energia como calor. Duram pouco.  As lâmpadas de carga (como as fluorescentes) emitem radiação devido à excitação eletrónica de gases sujeitos a corrente elétrica (são menos resistentes e contêm constituintes poluentes).

Professora Isabel Reis

Comparação de alguns tipos de lâmpadas

Professora Isabel Reis

ASSOCIAÇÃO DE RECETORES EM SÉRIE

A corrente elétrica é igual em qualquer ponto de um circuito em série.

I1 = I 2 = I3 Professora Isabel Reis

ANALOGIA

A corrente elétrica é igual em qualquer ponto de um circuito com recetores associados em série. Professora Isabel Reis

A diferença de potencial no conjunto de duas lâmpadas em série é igual à soma da diferença de potencial nos terminais de cada uma das

lâmpadas.

U 1 = U2 + U3 Professora Isabel Reis

ANALOGIA

3

A diferença de potencial nos terminais de uma associação de recetores em série é igual à soma da diferença de potencial nos terminais de

cada um. Professora Isabel Reis

ASSOCIAÇÃO DE RECETORES EM PARALELO

A corrente elétrica no ramo principal é igual à soma da corrente elétrica que percorre todas as ramificações de um circuito com elementos associados em paralelo.

I1 = I2 + I3 Professora Isabel Reis

ANALOGIA

A corrente elétrica no ramo principal é igual à soma da corrente elétrica que percorre todas as ramificações de um circuito com elementos associados em paralelo. Professora Isabel Reis

A diferença de potencial Ê igual em qualquer terminal de um componente de um circuito em paralelo.

U1 = U2 = U 3 Professora Isabel Reis

ANALOGIA

A diferença de potencial Ê igual em qualquer terminal de um componente de um circuito em paralelo. Professora Isabel Reis

Num circuito elĂŠtrico

I1 = I2 = I3

Associados em

Associados em

sĂŠrie

paralelo

U = UR1 + UR2 + UR3

I = I1 + I 2 + I3

Professora Isabel Reis

UR1 = UR2 = UR3

Geradores de corrente contínua Os geradores são dispositivos capazes de manter entre os seus terminais uma tensão elétrica ou diferença de potencial elétrico. As pilhas são geradores que transformam energia potencial química em energia elétrica (ocorrem reações químicas no seu interior).

Professora Isabel Reis

Força eletromotriz A força eletromotriz, ξ, de um gerador Ê a energia que o gerador transforma em energia elÊtrica por unidade de carga elÊtrica que o atravessa.

Força eletromotriz

đ??¸ đ?œ€= |đ?‘ž| A unidade SI ĂŠ o volt (V)

A força eletromotriz de um gerador pode medir-se ligando diretamente os polos do gerador a um voltímetro. Professora Isabel Reis

A força eletromotriz da pilha é 9,00 V (d.d.p. nos terminais da pilha em circuito aberto).

A d.d.p. nos terminais da pilha passou a ser 7,93 V quando se intercalou num circuito fechado.

A energia disponibilizada por uma pilha é usada pelo circuito (energia útil) e no aquecimento dela própria (energia dissipada). Professora Isabel Reis

Resistência interna do gerador Tal como os outros componentes de um circuito, um gerador também dissipa energia devido ao facto de possuir resistência interna, ri. Nem toda a energia transformada no gerador é transferida para o circuito exterior.

Parte da energia transformada no gerador é dissipada no próprio gerador, por efeito Joule, devido à sua resistência interna (a pilha aquece).

Professora Isabel Reis

Energia Ăştil

Energia fornecida pelo gerador ao circuito elĂŠtrico

đ??¸Ăştil = đ?‘ˆ đ??ź ∆đ?‘Ą Energia dissipada Energia dissipada no gerador

2

đ??¸dissipada = đ?‘&#x;đ?‘– đ??ź ∆đ?‘Ą đ?‘&#x;đ?‘– − resistĂŞncia interna do gerador

Professora Isabel Reis

Energia e potência de um gerador A partir da expressão da força eletromotriz:

đ??¸gerador đ?œ€= |đ?‘ž| Atendendo a que đ??ź =

|đ?‘ž| ∆đ?‘Ą

â&#x;ş đ??¸gerador = đ?œ€ |đ?‘ž|

, pode conclui-se que:

|đ?‘ž| = đ??źâˆ†đ?‘Ą

đ??¸gerador = đ?œ€ đ??źâˆ†đ?‘Ą

Dividindo pelo intervalo de tempo, obtĂŞm-se a potĂŞncia do gerador:

đ??¸ đ?‘ƒ= ∆đ?‘Ą

đ?‘ƒgerador = đ?œ€ đ??ź Professora Isabel Reis

Num circuito hĂĄ conservação de energia: đ??¸gerador = đ??¸Ăştil + đ??¸dissipada đ??¸gerador = đ?œ€ đ??źâˆ†đ?‘Ą

đ??¸Ăştil = đ?‘ˆđ??źâˆ†đ?‘Ą

đ??¸dissipada = đ?‘&#x;đ?‘– đ??ź 2 ∆đ?‘Ą

đ?‘ƒgerador = đ?œ€ đ??ź

đ?‘ƒĂştil = đ?‘ˆđ??ź

đ?‘ƒdissipada = đ?‘&#x;đ?‘– đ??ź 2

đ?‘ƒg = đ?‘ƒu + đ?‘ƒd

Rendimento do gerador:

đ?œ‚=

đ??¸đ?‘˘ đ??¸đ?‘”

đ?‘ƒđ?‘˘ đ?œ‚= đ?‘ƒđ?‘”

đ?‘ˆ đ?œ‚= đ?œ€

Professora Isabel Reis

Curva caracterĂ­stica de um gerador

đ?‘ƒgerador = đ?‘ƒĂştil + đ?‘ƒdissipada

đ?œ€ đ??ź = đ?‘ˆđ??ź + đ?‘&#x;đ?‘– đ??ź 2 â&#x;ş đ?œ€ = đ?‘ˆ + đ?‘&#x;đ?‘–đ??ź â&#x;ş đ?‘ˆ = đ?œ€ − đ?‘&#x;đ?‘–đ??ź

Professora Isabel Reis

đ?‘ˆ = đ?œ€ − đ?‘&#x;đ?‘–đ??ź

Função linear, đ?‘ˆ = đ?‘“(đ??ź), designada por curva caracterĂ­stica do gerador.

O mĂłdulo do declive corresponde Ă resistĂŞncia interna da pilha.

A ordenada na origem corresponde à força eletromotriz.

Quanto maior for a corrente elÊtrica no circuito, menor serå a diferença de potencial nos terminais da pilha (o reóstato permite alterar a corrente elÊtrica). Professora Isabel Reis

đ?‘ˆ = đ?œ€ − đ?‘&#x;đ?‘–đ??ź Em circuito aberto, a tensĂŁo nos terminais do gerador ĂŠ igual Ă sua força eletromotriz.

I = 0 â&#x;š U =Îľ

Em circuito fechado, a tensão nos terminais do gerador Ê inferior à sua força eletromotriz.

Em curto-circuito (polos da pilha ligados atravĂŠs de um fio), a corrente mĂĄxima ĂŠ dada por: đ?‘ˆ =0đ?‘‰ â&#x;š

I ≠0 â&#x;š U<Îľ

đ?œş đ?‘°đ?’ŽĂĄđ?’™ = đ?’“đ?’Š

0 = đ?œ€ − đ?‘&#x;đ?‘–đ??ź â&#x;ş đ?‘&#x;đ?‘–đ??ź = đ?œ€ â&#x;ş đ??źđ?‘šĂĄđ?‘Ľ = Professora Isabel Reis

đ?œ€ đ?‘&#x;đ?‘–

AL 2.1. Características de uma pilha

V A

Variando a posição do cursor do reóstato, altera-se a resistência exterior do circuito, obtendo-se diferentes valores de corrente elétrica e de diferença de potencial nos terminais da pilha.

Professora Isabel Reis

U/V 3,77 3,41 2,98 2,61 2,23 1,80 1,38 1,18

d.d.p / V

I/A 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00

4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00

y = -1,92x + 4,91 R² = 0,997

0,00

đ?‘ˆ = đ?œ€ − đ?‘&#x;đ?‘–đ??ź

0,50 1,00 1,50 2,00 Corrente elĂŠtrica / A

2,50

đ?‘ˆ = 4,91 − 1,92 đ??ź (đ?‘†đ??ź)

CaracterĂ­sticas da pilha:

đ?œş = 4,91 V

Professora Isabel Reis

e đ?’“đ?’Š = 1,92 Ί

Relação entre a potĂŞncia Ăştil e a resistĂŞncia exterior: đ?‘ˆ đ??ź

P = đ?‘ˆđ??ź

R/Ί 6,28 4,26 2,98 2,18 1,59 1,13 0,77 0,59

P/W 2,26 2,73 2,98 3,13 3,12 2,88 2,48 2,36

đ?‘…= 3,50

I/A 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00

POTĂŠNCIA ĂšTIL / W

3,00 2,50 2,00

1,50 1,00 0,50 0,00 0,00

2,00 4,00 6,00 RESISTĂŠNCIA EXTERIOR / Ί

U/V 3,77 3,41 2,98 2,61 2,23 1,80 1,38 1,18

8,00

đ?‘ˆ = 4,91 − 1,92 đ??ź (đ?‘†đ??ź)

Pela anĂĄlise do grĂĄfico đ?‘ƒĂşđ?‘Ąđ?‘–đ?‘™ = f(đ?‘…đ?‘’đ?‘Ľđ?‘Ąđ?‘’đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘œđ?‘&#x; ) conclui-se que a potĂŞncia ĂŠ

mĂĄxima quando a resistĂŞncia exterior ĂŠ semelhante Ă resistĂŞncia interna do gerador. Professora Isabel Reis

Relacionando conceitos Gerador de corrente contínua

Energia para o circuito

Força eletromotriz

Características do gerador

Lei da Conservação da energia

A energia transformada no gerador em energia elétrica

Resistência interna

Energia útil

Energia dissipada

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