PENSANDO E DESCOBRINDO!!!

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1 PENSANDO E DESCOBRINDO!!! Sobr o Chuviro Elétrico... Falarmos agora sobr outra facilidad qu a ltricidad os avanços tcnológicos trouxram, trata-s d um aparlho muito usado m nosso dia a dia, o CHUVEIRO ELÉTRICO! Acrdita-s qu os primiros chuviros surgiram por volta d 1350 a.c na antiga capital do Egito m Akhnatn ond s ncontraram grands banhiras d mármor prata também tinas qu sriam provavlmnt usadas para banhos d chuviro. Em mados d 1872 os chuviros foram vrdadiramnt construídos. Est fito foi ralizado por Mrry Dlabost um médico da prisão Bonn Nouvll, na França. El quria achar uma forma d mlhorar a higin dos prsos, por isso construiu a primira ducha, qu não ra létrica, apnas uma grand quantidad d água caindo d um tubo com alguns furos. Hoj flizmnt os chuviros não são privilégios apnas dos prsos, mas srá qu os chuviros daqula época aprsntam alguma smlhança com os d hoj m dia? Com crtza, muita coisa dv tr mudado, é xatamnt isto qu irmos dscobrir. Mas ants d falarmos propriamnt dos chuviros, é ncssário qu comntmos sobr alguns fators importants qu podm sclarcr o funcionamnto dst. Como por xmplo o qu é corrnt létrica, o qu são rsistências létricas? Vamos pgar um chuviro olhar na placa d idntificação qu l aprsnta; O qu srá qu rprsnta cada grandza dscrita? Srá qu são 01

2 Bm, vidntmnt qu sim cada um dsss númros corrspond a uma caractrística spcífica do aparlho. Mas afinal qu caractrísticas são ssas? Ond tmos dscrito 25 A corrspond a intnsidad da corrnt létrica qu passará nos fios durant o funcionamnto do chuviro. Vamos ntndr mlhor isto; m um fio condutor, xist um grand númro d létrons livrs o qu chamamos d cargas létricas, stas stão m movimnto só qu d manira dsordnada, ou sja, num crto intrvalo d tmpo o msmo númro d létrons atravssa uma ára qualqur do fio num noutro sntido, dsordnadamnt. Scção Ligando um condutor a uma pilha ou batria stamos submtndo sts létrons a uma Difrnça d Potncial consquntmnt a um Campo Elétrico. O stablcimnto d um campo létrico m um condutor provoca um fluxo d létrons d manira ordnada a st fluxo dnominamos Corrnt létrica. Corrnt Elétrica: fluxo d létrons d manira ordnada. Mas, como calcular a corrnt létrica? É fácil! A intnsidad da corrnt létrica " i " é mdida através da quantidad d cargas qu passa num dtrminado intrvalo d tmpo, por uma sção do condutor. Ii= Q At 02

3 Porqu 1C/s quival a 1A (1 ampér), qu m homnagm ao físico francês André Mari Ampér ( ), foi a unidad scolhida para rprsntar corrnt létrica. Uma corrnt létrica pod sr stablcida m mios líquidos, como nas pilhas fitas utilizando-s Coca- Cola, Vinagr, Limão tc, ou ainda nos gass como acontc com as Lâmpadas Fluorscnts. Para comprovarmos qu uma corrnt pod stablcr-s m mio líquido, vamos construir uma pilha d limão; Construção d uma pilha Matrial: Dois limõs frscos, volumosos suculntos;! 2 mtros d fio fino! Duas placas d zinco! Duas placas d cobr! 1 LED d 1,5 volts;!tsoura, lixa um stilt. Dsnvolvimnto O primiro passo é amassar bm as frutas para rompr as divisõs intrnas librar o suco. Em sguida cort aproximadamnt 20 cntímtros d fio para cada fruta. Dscasqu as xtrmidads do fio amarr uma placa d zinco m uma das pontas na outra ponta uma placa d cobr; Pgu os outros dois fios rstants coloqu na ponta d um dls uma placa d zinco na outra ponta a prna mnor do Ld, no outro fio coloqu m uma das pontas a placa d cobr na outra ponta a prna maior do LED. 03

4 Agora faça dois corts m cada limão d modo qu sja possívl colocar uma das placas d zinco m um cort uma placa d cobr no outro cort. Obsrv o qu acontc com o LED. Não é qu nossa pilha natural funcionou. Vamos vr o qu acontc dntro do limão, para qu o LED acnda. Os mtais ( fio d cobr, placas d zinco) possum a propridad d ganhar ou prdr létrons quando stão imrsos m mios ácidos. Quando colocamos as placas d zinco dntro do limão (ácido), stas libraram íons positivos, ficando com xcsso d létrons. Com o cobr acontc algo parcido, porém quando m contato com o limão o cobr libra mnos íons positivos qu o zinco, com isso l fica com mnos létrons m xcsso. Como o zinco ficou com mais létrons qu o cobr, chamamos l d doador o cobr d rcptor. Elétrons Cobr Zinco Quando mtais como cobr o zinco são ligados por um condutor, ocorr a passagm d létrons do doador para o rcptor o qu provoca uma corrnt. Esta corrnt é rsponsávl plo LED acndr. A ssa difrnça no númro d létrons prsnts m cada um dos mtais m mio ácido, chamamos d difrnça d potncial. Porqu srá qu as pilhas d limão não funcionam para smpr? O qu acontc é qu dpois d algum tmpo tanto o zinco como o cobr s oxidam com isto acabam criando uma camada isolant, o qu impd a troca d létrons. A primira pilha foi fita por volta d 1800 plo físico italiano Alssandro Giuspp Volta ( ). El construiu a pilha com uma séri d pars d discos d dois mtais Zinco difrnts ( zinco cobr ) intrcalados com Disco d papl molhado com água salgada discos d papl molhado com água salgada. Cobr Dpois d algum tmpo acontcia algo smlhant com o qu ocorr com nossa pilha d limão, as placas d zinco cobr oxidavam criavam uma camada isolant. Pilha Você sabia qu... 04

5 Crtamnt você já dv tr rparado qu alguns aparlhos létricos possum uma chav qu nos prmit mudá-los d 110 para 220 volts, ou provavlmnt já viu m algum lugar, uma placa advrtindo CUIDADO! PERIGO! ALTA VOLTAGEM. Todas stas rcomndaçõs rfrm-s a tal difrnça d potncial d qu falamos. O volt qu stá rprsntado na tiquta d nosso aparlho por um V maiúsculo, é a unidad d uma grandza létrica qu corrspond ao qu chamamos d difrnça d potncial, juntamnt com a corrnt létrica, forma a bas para o dsnvolvimnto dos dmais concitos rlaçõs utilizados nos circuitos létricos. A difrnça d potncial (d.d.p) costuma também sr dnominada voltagm ou tnsão. Pod-s imaginar a difrnça d potncial como sndo a difrnça dos nívis d água d pots intrligados, s houvr difrnça d nívl havrá transfrência d água, s não houvr difrnça d nívl não havrá transfrência d água. Para comprovarmos isto podmos fazr um tst bm simpls, para isso vamos prcisar d; Dsnvolvimnto: 2 garrafas plásticas d rfrigrant d 2L; 2 torniras para filtro; Lâmina d srra; Água com corant. 50 cm d manguira d 1cm d diâmtro; Estilt; Tsoura; Comc cortando o bico da tornira com a lâmina d srra, m sguida cort o bico da garrafas, faça um furo nas garrafas d modo qu as torniras possam sr ncaixadas como mostra a foto. Fito isso conct a manguira na garrafa, m sguida ncha as garrafas pla mtad com água com corant. Obsrv o comportamnto da água. * É important rssaltar qu na xpriência ralizada faz s uma analogia ntr, o fluxo d létrons o fluxo d água m um condutor, dvmos lmbrar qu o movimnto dos létrons m um condutor dv-s ao campo létrico qu s stablc nst condutor. 05

6 Pgu uma das garrafas coloqu m dsnívl com a outra garrafa, crca d 15cm. Obsrv novamnt o fluxo da água. Analisando o qu foi fito podmos concluir qu quando colocamos as duas garrafas na msma altura, não há fluxo d água, mas quando colocamos uma garrafa m dsnívl com a outra prcbmos qu há fluxo d água. Do msmo modo qu a corrnt d água no tubo é consqüência d uma difrnça d prssão ntr suas xtrmidads, a corrnt létrica num condutor também dpndrá da xistência d uma difrnça létrica ntr sus trminais. Como podmos calcular a difrnça d potncial? + Para isso imagin uma carga d prova q m um condutor, s foss possívl vr o qu stá acontcndo dntro dst do condutor vríamos qu sta carga stá sofrndo a ação d uma força F (força létrica) qu dsloca a carga d A para B, quando stá sob a ação d uma corrnt: + - A B q + + Ao dslocar a carga d prova q, sta força qu chamarmos d F stará ralizando trabalho ( W AB ). A razão ntr o trabalho ralizado ao longo do condutor a carga transportada plo msmo nos fornc a difrnça d potncial; Difrnça d potncial = Trabalho ralizado ntr A B Carga transportada d A a B V = W AB F Como dissmos acima o volt é a unidad da difrnça d potncial, mas no S.I ( sistma intrnacional d mdidas ), podmos ncontrar ainda a difrnça d potncial dada m Jouls por Coulomb ( J/C ). Um Joul por Coulomb quival a um Volt. Então 220V também podm indicar qu sobr cada Coulomb d carga qu prcorr nosso chuviro a F raliza um trabalho d 220 Jouls. AB / q 06

7 Hoj m dia sabmos qu o componnt principal dos chuviros são as rsistências létricas. Sucintamnt podmos dizr qu rsistência é a oposição qu um condutor ofrc a passagm d corrnt, mas na vrdad o qu acontc não é tão simpls assim. As cargas móvis qu constitum a corrnt létrica, quando submtidas a uma difrnça d potncial são aclradas, com isto stas ralizam colisõs contra os átomos ou moléculas do condutor, provocando assim uma rsistência a passagm d corrnt qu podrá sr maior ou mnor dpndndo da naturza da rsistência. Foram as psquisas do almão Gorg Simon Ohm ( ) sobr condução mtálica qu originaram o concito d rsistência létrica, daí a unidad d rsistência sr Ohms ( ). Suas xpriências mostraram qu todo condutor d corrnt létrica (fio d cobr, por xmplo), aprsnta uma crta rsistência a passagm dos létrons, qu dpnd d divrsas propridads, tais como comprimnto, spssura matrial d qu é constituído. Vamos comprovar isto, imagin dois condutors d difrnts comprimntos... Em qual dls você acha qu a rsistência srá maior, ou sja m qual dos fios a corrnt trá maior dificuldad para prcorrr? Pnsando um pouco sobr isto concluirmos qu a rsistência srá maior, no fio d maior comprimnto, pois a msma corrnt trá qu prcorrr uma maior distância. R L S ao invés do comprimnto variarmos a ára, como por xmplo usando duas manguiras d igual comprimnto, mas d spssura difrnt, m qual dlas passará a maior quantidad d água?. Ára Ára S você rspondu na mais grossa acrtou é xatamnt sta rlação qu obsrvamos nos condutors, quanto mnor for a ára do condutor, isto é quanto mais fino, maior sua rsistência. R L Com isto podmos ntndr porqu na instalação dos chuviros, usa-s fios grossos, pois quanto mais grosso o fio mnor a rsistência consquntmnt a corrnt qu passa por l é maior. 07

8 Mas além do comprimnto da ára d um condutor o matrial d qu l é fito também influncia no valor d sua rsistência. Na tabla abaixo tmos alguns valors para a rsistividad d alguns matriais; Rsistividad à tmpratura ambint Matrial Cobr -8 Aluminio Níqul-Cromo Tungstênio Frro 1,7 x 10 2,6 x ,5 x 10 Todas stas informaçõs podm sr rsumidas na sguint rlação... corrspond a rsistividad do matrial R = L/A L ao comprimnto A ára d sua sção rta. É important lmbrar qu xistm outros fators qu influnciam no valor d uma rsistência, tais como a tmpratura difrnça d potncial. Mas afinal d contas o qu tudo isto tm a vr com o funcionamnto dos chuviros? Vamos dscobrir... Sabmos qu os chuviros são aparlhos rsistivos, ou sja aparlhos qu possum uma rsistência. Todos ls possum a propridad d transformar nrgia létrica m nrgia térmica, fnômno st conhcido como fito Joul. É ai qu sta a primira rlação ntr os chuviros os concitos qu aprndmos; sm a difrnça d potncial não havria corrnt, sm uma corrnt prcorrndo uma rsistência létrica não havria dissipação d nrgia - Potência. Você sab o qu é potência, o qu sria st tal d fito Joul? Pois é, ants d comprndrmos propriamnt o funcionamnto dos chuviros, prcisamos conhcr sts dois concitos. Para o studo dos chuviros létricos o Efito Joul é o mais important fito qu uma corrnt létrica pod provocar. Est fito rcbu st nom m homnagm a Jams Prscoutt Joul ( ), um industrial inglês qu ddicava-s à física como passatmpo, obccado plas xpriências bm fitas plas mdidas prcisas, ralizou uma séri d obsrvaçõs sobr o calor sus fitos foi no dcorrr dssas psquisas qu dscobriu-s o Efito Joul. Est fito é causado plo choqu dos létrons livrs, provnints da corrnt qu atravssa um condutor, contra os átomos dst, pois quando sts létrons rcbm nrgia vibram intnsamnt quanto maior a vibração dls, maior a tmpratura do condutor, nssas condiçõs é possívl até obsrvar o aqucimnto xtrno do condutor x x 10

9 Tmos ntão qu o fito Joul é a transformação d nrgia létrica m nrgia térmica (calor), pois quando uma rsistência R é prcorrida por um corrnt i qu stá submtida a uma difrnça d potncial V AB uma potência P é dsnvolvida nsta rsistência. Portanto potência é a quantidad d nrgia létrica qu um aparlho rsistivo transforma continuamnt m nrgia térmica por unidad d tmpo. Com isto tmos: P 2 = V R Sabndo-s qu corrnt ( i ) é a razão ntr a difrnça d potncial (V ) a AB rsistência ( R ), i = V / R, podmos tr o cálculo da potência também dado por; AB P 2 = V. i ou ainda = R. i pois, V = R. i A unidad d potência é o Watts, ou Kwh como vmos nas contas d nrgia d nossa casa, studarmos isto mais adiant. Um chuviro létrico pod tr sua potência variando ntr 4400W 6600W. D acordo com as spcificaçõs do nosso chuviro a potência máxima a sr dissipada é d 5400W. Usando um multimtro mdimos os valors das rsistências do chuvrio nas difrnts tmpraturas, como mdimos com o chuviro dsligado os valors aprsntados são aproximados; Rsistência Grand Rsistência pquna 11,5 4,9 Agora qu conhcmos todos os concitos nvolvidos no funcionamnto d um chuviro vamos vr como funciona sta maravilhosa invnção. Ao abrirmos a tornira, fazmos com qu a água ntr m um rsrvatório, quando st vai s nchndo uma mmbrana s mov para cima fchando os contatos létricos. É important lmbrar qu sta mmbrana só s mov quando o rsrvatório stá chio d água, por isso é impossívl ligar um chuviro sm qu haja água. Contatos P Tampa Mmbrana T./ T Mmbrana Água 09

10 Dpndndo da posição da chav qu indica, Invrno, Vrão ou Dsligado, a água qu passa pla rsistência, qu no caso é fita d uma liga d Níqul-Cromo fica a uma dtrminada tmpratura... Vjamos como isto acontc: Dsligado S o chuviro stivr na posição dsligado, quando a mmbrana s movr não irá consguir qu os contatos s fchm, pois a chav qu indica m qu tmpratura o chuviro stá possui um dispositivo plástico, m forma d borbolta qu ag como um isolant ntr os contatos, com isto não s tm passagm d corrnt pla rsistência. Contato intrrompido A B C S calcularmos o valor da potência dissipada nsta posição obtríamos 0W; Pois o chuviro stando nsta posição, o circuito não s fcha não há passagm d corrnt plas rsistências assim não há como havr dissipação d potência. 10

11 Morna Quando o chuviro stá nsta posição, toda a rsistência stá ligada, d A até C, têms nsta situação um aqucimnto brando da água. Analisando a quação qu fornc o cálculo da potência vrmos qu su valor é invrsamnt proporcional ao valor da rsistência, portanto quanto maior o valor da rsistência mnor srá a potência dissipada. B A C S calcularmos o valor da potência dissipada nsta posição obtríamos 2951W; Lmbrando qu: P = V2 no caso toda a rsistência sta ligada. R Com isto tríamos, R = 16,4 ntão P = 2202/ 16,4 ntão P= 2951W Qunt Nsta posição apnas a rsistência maior stá ligada, d B até C, os pontos d A a B ficam m curto-circuito, pois o msmo dispositivo plástico rsponsávl por não dixar qu o circuito s fch quando o chuviro stá na posição dsligado, agora é rsponsávl por mpurrar a chapa mtálica mostrada na foto fazndo com qu sta ncost m outra chapa ocasionando o curto circuito. B A Chapa mtálica Dispositivo qu mpurra a chapa provocando o curro circuito C 11

12 Calculando a potência dissipada nsta posição, tríamos a sguint situação: R= 11,5, pois a rsistência mnor sta m curto, apnas a rsistência 2 maior stá ligada. Com isto tmos P = 220 / 11,5 P = 4208W Analisando os valors ncontrados para a potência nas difrnts posiçõs, vrificamos qu sts não são compatívis com os valors forncidos plo fabricant, Morna- P= 3200w Qunt- P=5400w, isto acontc, pois os valors qu informamos para as rsistências, é d quando stas não stão sndo prcorridas por uma corrnt, quando isto ocorr sts valors são maiors do qu quando mdimos.. Concluimos também qu quanto mnor a rsistência, maior a potência dissipada, pois na posição morna ond tínhamos toda a rsistência ligada a potência dissipada foi mnor do qu quando tinhamos apnas a rsistência maior ligada, qunt. Obsrvando a foto ao lado você pod notar qu além, dos dois fios ligados a rd xist um trciro qu no chuviro, aprsntado m vrd. Est é conhcido como Fio Trra, tm a função d ligar a carcaça a água do chuviro à Trra, para vitar os choqus létricos, pois, m vntual contato da rsistência com a água ou a carcaça, a carga irá prfrir fluir plo fio d rsistência dsprzívl ao invés d fluir plo corpo da pssoa, quando la toca a carcaça. Rd Elétrica Fio Trra Fio Trra Fas C A B Chapa mtálica Borbolta Trra Todos sts concitos aprndidos podm nos lvar a xplicar vários outros quipamntos qu fazm part d nosso dia a dia como por xmplo; os frros d passar, lâmpadas d filamnto, torradiras, scadors d cablo tc 12

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