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Efeito Joule

Física

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O efeito Joule é um fenômeno físico que consiste na conversão de energia elétrica em calor. Esse fenômeno ocorre quando algum corpo é atravessado por uma corrente elétrica. As constantes colisões que ocorrem entre os elétrons e os átomos que compõem a estrutura cristalina do corpo fazem com que sua temperatura aumente, fazendo com que parte da energia elétrica contida nos portadores de carga seja convertida em calor.

Veja também: Qual é a velocidade da corrente elétrica?

Fórmula do efeito Joule

A partir da lei de Joule, é possível calcular a quantidade de calor dissipada por um condutor que é atravessado por uma corrente elétrica. Para fazermos uso dessa lei, é necessário que a resistência elétrica do material seja constante, bem como a corrente elétrica que o atravessa.

Q – calor (J ou cal)

i – corrente elétrica (A)

R – resistência elétrica (Ω)

t – intervalo de tempo (s)

A fórmula apresentada mostra que a quantidade de calor que é dissipada é diretamente proporcional ao quadrado da corrente elétrica multiplicado pela resistência elétrica e pelo intervalo de tempo em que a corrente demorou a atravessar o corpo.

Veja também: Descobertas da Física que aconteceram por acidente

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Utilidades do efeito Joule

Graças ao efeito Joule, é possível converter energia elétrica em calor, como fazemos em: 

  • chuveiros,
  • panelas elétricas,
  • churrasqueiras elétricas,
  • ferros de passar etc.

O efeito Joule ocorre em qualquer material, condutor ou isolante, que apresente resistência elétrica não-nula. 

Esse fenômeno é mais expressivo em materiais isolantes, cujas resistências elétricas são geralmente mais elevadas. Entretanto, quando os materiais isolantes são percorridos por correntes elétricas intensas, é possível que surjam neles defeitos irreparáveis em razão do grande aumento de temperatura.

Churrasqueiras elétricas aquecem mediante a passagem de corrente elétrica devido ao efeito Joule.
Churrasqueiras elétricas aquecem mediante a passagem de corrente elétrica devido ao efeito Joule.

Riscos relacionados ao efeito Joule

Os principais riscos relacionados ao efeito Joule são decorrentes do aumento de temperatura. Em instalações elétricas, deseja-se que fios condutores e outros aparelhos eletrônicos operem em temperaturas seguras, no entanto, fatores como instalações malfeitas, presença de umidade, poeira em excesso, fios descascados e a oxidação de componentes eletrônicos podem fazer com que suas resistências elétricas aumentem, levando à maior dissipação de calor, desse modo, aumentam-se as possibilidades de ocorrência de incêndios, por exemplo.

Veja também: Tudo sobre Calorimetria

Experimento sobre efeito Joule

Existem experimentos de baixo custo e bastante acessíveis que podem ser feitos em sala de aula para evidenciar a existência do efeito Joule. Um deles consiste em encostar os terminais de uma bateria de 9 V em um pedaço de palha de aço.

Quando tocamos a palha de aço aos terminais da bateria, forma-se uma corrente elétrica, desse modo, inicia-se o processo de aquecimento. Rapidamente, as temperatura da palha de aço aumenta até que ela fique incandescente.

Atenção: esse experimento pode causar queimaduras e incêndios, só realize-o na presença de pais ou responsáveis.

Exercícios sobre efeito Joule

Questão 1) Um fio condutor de resistência elétrica igual a 0,5 Ω é percorrido por uma corrente elétrica de 2,0 A durante um intervalo de tempo de 2,0 minutos. Determine a quantidade de calor dissipada por esse fio em joules.

a) 240 J

b) 4 J

c) 400 J

d) 40 J

e) 120 J

Gabarito: Letra A

Resolução:

Para calcularmos a quantidade de calor dissipada, é necessário utilizar a lei de Joule:

       No cálculo acima, foi necessário que transformar o intervalo de tempo, dado em minutos, em segundos. Desse modo, foi possível que calcular a quantidade da calor dissipado, igual a 240 J.
       No cálculo acima, foi necessário que transformar o intervalo de tempo, dado em minutos, em segundos. Desse modo, foi possível que calcular a quantidade da calor dissipado, igual a 240 J.

Questão 2) Em relação ao efeito Joule, assinale o que for correto.

a) O efeito Joule só ocorre em altas temperaturas.

b) O efeito Joule surge devido às colisões entre os portadores de carga e os átomos que compõem a rede cristalina do material.

c) É possível controlar a perda de energia pelo efeito Joule aumentando-se a intensidade da corrente elétrica.

d) A quantidade de calor que é dissipada pelo efeito Joule é inversamente proporcional à resistência elétrica do material.

e) Materiais condutores não estão sujeitos ao efeito Joule.

Gabarito: Letra B

Resolução:

Vamos analisar as respostas:

a) FALSO – o efeito Joule pode ocorrer em qualquer temperatura, no entanto, esse efeito aumenta em regimes de altas temperaturas.

b) VERDADEIRO

c) FALSO – a quantidade de calor dissipada pelo efeito Joule é diretamente proporcional ao quadrado da intensidade da corrente elétrica.

d) FALSO - a quantidade de calor dissipada pelo efeito Joule é diretamente proporcional ao módulo da resistência elétrica.

e) FALSO – todos os materiais que tiverem resistência elétrica estão sujeitos ao efeito Joule.

Questão 3) Um fio condutor é percorrido por uma corrente elétrica de 0,5 A durante 30 s. Sendo a resistência elétrica desse fio igual a 0,8  Ω, a quantidade de calorias liberadas pelo fio durante esse intervalo de tempo, em decorrência do efeito Joule é igual a

Dados: 1 cal = 4 J

a) 15,0 cal.

b) 12,0 cal.

c) 1,5 cal.

d) 6,0 cal.

e) 4,5 cal.

Gabarito: Letra C

Resolução:

Utilizaremos a lei de Joule para calcularmos a quantidade de calor que é dissipada pelo fio condutor:

De acordo com o cálculo realizado, a quantidade de calor que é dissipada por esse fio condutor é de 1,5 cal, portanto, a alternativa correta é a letra C.

 

Por Me. Rafael Helerbrock

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

HELERBROCK, Rafael. "Efeito Joule"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/efeito-joule.htm. Acesso em 19 de setembro de 2019.

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Lista de Exercícios
Questão 1

Um chuveiro elétrico residencial tem o seu seletor de temperatura colocado na posição inverno. Nessa posição, a potência dissipada pelo aparelho, em forma de calor, é de 5000 W. Assumindo que o aparelho permaneça ligado por 30 min por dia, assinale entre as alternativas abaixo aquela que indica a quantidade mensal de energia dissipada em kWh.

a) 75 kWh

b) 4500 kWh

c) 4,5 kWh

d) 2700 kWh

e) 2,7 kWh

Questão 2

Podemos calcular a quantidade de calor dissipado pelo efeito Joule por meio de uma relação simples: Q = i2R.t, na qual Q é a quantidade de calor dissipado em Joules; i é a corrente elétrica em Amperes; R é a resistência elétrica do condutor em Ohms; e t é o tempo que a corrente elétrica leva para atravessá-lo em segundos. Dessa forma, assinale a alternativa que apresenta corretamente a resistência elétrica, em Omhs, de um condutor que dissipa 64 J de calor quando percorrido por uma corrente elétrica de 4 A durante um tempo de 2 s.

a) 20 Ω

b) 2 Ω

c) 10 Ω

d) 100 Ω

e) 0,2 Ω

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