Efeito Joule

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.

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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.

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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.

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.

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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.

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:

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