O que é o efeito Joule?
Uma pilha empurra cargas pelo resistor o tempo todo. A fonte realiza trabalho sobre elas; em um resistor esse trabalho não coloca nada em movimento, então tudo vira calor. Os elétrons em movimento batem sem parar nos átomos do metal, passam energia a eles e os fazem vibrar mais rápido, o que sentimos como aumento de temperatura. Esse é o efeito Joule (efeito térmico da corrente elétrica).
Demonstração da lei de Joule
Seja uma corrente I passando por um resistor R durante um tempo t, com diferença de potencial V entre as pontas. Carga que passa: Q = It. Trabalho realizado pela fonte: W = VQ = VIt. Esse trabalho aparece como calor: H = VIt. Usando a lei de Ohm, V = IR:
H = I²Rt (também H = VIt = V²t/R)
Lei de Joule: o calor produzido em um resistor é (i) diretamente proporcional ao quadrado da corrente, (ii) diretamente proporcional à resistência, para uma dada corrente, e (iii) diretamente proporcional ao tempo em que a corrente passa. H é dado em joules quando I está em A, R em Ω e t em s.
Aplicações do efeito Joule
- Aparelhos de aquecimento: ferro, torradeira, forno, chaleira, aquecedor e chuveiro usam fios de nicromo (alta resistividade, alto ponto de fusão e não oxida com facilidade).
- Lâmpada elétrica: o filamento é de tungstênio, que só derrete a cerca de 3380 °C, por isso pode ficar branco de tão quente. A lâmpada é preenchida com gases inertes, nitrogênio e argônio, para o filamento não queimar. Ainda assim, a maior parte da energia vira calor; só uma pequena parte vira luz.
- Fusível elétrico: um fio curto de um metal ou liga com baixo ponto de fusão (como uma liga de estanho e chumbo), ligado em série com o aparelho. Se a corrente passar do valor indicado do fusível (1 A, 2 A, 5 A, 10 A, 15 A…), o fio esquenta, derrete e abre o circuito, protegendo a fiação e os aparelhos. O valor do fusível é escolhido um pouco acima da corrente normal, por exemplo: um ferro de 1 kW em 220 V puxa cerca de 4.5 A, então se usa um fusível de 5 A.
Quando o aquecimento é indesejado?
Em fios, motores, computadores e carregadores, o calor é energia desperdiçada e pode danificar peças. Por isso os fios de ligação são de cobre grosso, os aparelhos eletrônicos têm ventoinhas ou aberturas e a energia é enviada por longas distâncias em tensão muito alta (assim a corrente, e a perda I²R, ficam pequenas).
Fórmulas e definições principais
- H = I² R t (lei de Joule)
- H = V I t = V² t / R
- Q = I t, W = V Q
- Unidades: H em joules (J), I em A, R em Ω, t em s
Exemplos resolvidos
1. Uma corrente de 2 A passa por um resistor de 10 Ω durante 30 s. Calcule o calor produzido.
H = I²Rt = 2² × 10 × 30 = 1200 J.
2. Um ferro de resistência 50 Ω puxa 4 A. Quanto calor ele produz em 1 minuto?
H = 4² × 50 × 60 = 48 000 J = 48 kJ.
3. Um aquecedor de 20 Ω é ligado a 220 V por 10 s. Calcule o calor produzido.
H = V²t/R = 220² × 10 / 20 = 24 200 J.
4. Se a corrente em um aquecedor passa a ser o triplo, quantas vezes o calor produzido no mesmo tempo fica maior?
H ∝ I², então o calor fica 3² = 9 vezes maior.
5. Uma chaleira produz 60 000 J em 2 minutos com uma corrente de 5 A. Calcule a resistência dela.
t = 120 s. R = H / (I²t) = 60 000 / (25 × 120) = 20 Ω.
6. Um aquecedor de 1100 W funciona em 220 V. Qual fusível você usaria: 2 A, 5 A ou 10 A?
Corrente normal I = P/V = 1100/220 = 5 A. O fusível precisa ser um pouco acima disso, então escolha o de 10 A; um de 5 A queimaria em uso normal.
Erros comuns
- Achar que o calor é proporcional à corrente. Ele é proporcional a I², então dobrar I dá 4 vezes mais calor.
- Usar minutos para t em H = I²Rt. Sempre converta para segundos.
- Ligar o fusível em paralelo. O fusível deve ficar em série para que toda a corrente passe por ele.
- Dizer que o cobre serve para a resistência de um aquecedor. O cobre tem baixa resistividade e oxida; usa-se nicromo.