I = corrente elétrica medida em Ampères (A) t = tempo em segundos

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1 Eletrodinâmica

2 ELETRODINÂMICA: Carga Elétrica: Q = n.e Corrente Elétrica: I = Q / t Q = carga elétrica medida em Coulombs (C) n = número de elétrons ou prótons e = carga de um elétron = 1, Coulombs I = corrente elétrica medida em Ampères (A) t = tempo em segundos Exercício Resolvido: Um fio de cobre é atravessado por uma corrente contínua durante 2 minutos. Durante este tempo 1200C passam pelo fio. Qual é a intensidade de corrente elétrica? Quantos elétrons passaram pelo fio? Solução: Dois minutos têm 120 segundos, então a intensidade de corrente será: I = Q / t I = 1200 / 120 = 10A. Q = n e 1200 = n 1, n = 1200/1, = = 7, Exercício Resolvido: Um fio é percorrido por 2, elétrons. Qual é a intensidade de corrente elétrica? Solução: A carga de 2, elétrons vale: Q = n e Q = 2, , = 4, C = 0,004C Potencial Elétrico Assim como o potencial gravitacional atrai os objetos, o Potencial Elétrico atrai cargas elétricas e, assim, gera corrente elétrica. O Potencial Elétrico se mede em Volts (V). Na realidade as cargas só se deslocam entre dois pontos se houver diferença de potencial elétrico - DDP, também conhecida como tensão elétrica ou voltagem e medida em Volts. Uma gota de água só vai para a torneira se a caixa de água estiver mais alta, assim, um próton só vai de um ponto para outro onde o potencial elétrico é menor. O elétron que é negativo vai para um ponto onde o potencial é maior. Sentido da Corrente Elétrica A corrente se desloca sempre do ponto onde o Potencial Elétrico é maior para o ponto onde ele é menor. Os prótons, por serem positivos, caminham no mesmo sentido da corrente e os elétrons, por serem negativos, caminham no sentido inverso da corrente. Resistência Elétrica Alguns materiais são bons condutores e deixam a corrente elétrica passar com facilidade, outros resistem à passagem da corrente elétrica. Chama-se de Resistência Elétrica a capacidade dos materiais de resistirem à passagem da corrente. A Resistência Elétrica se mede em Ohms (Ω). Lei de Ohm - O físico alemão Georg Simon Ohm, no começo do século XIX, descobriu que para quase todos os materiais vale: V = R I V = voltagem ou DDP, R = resistência elétrica, I = corrente elétrica. Os materiais colocados em um circuito elétrico feitos para resistirem à passagem da corrente elétrica são chamados de resistores elétricos. Exercício: Qual a corrente elétrica que passa por um resistor de 40 Ω quando é submetido a uma tensão de 120 V? Solução: V = R I 120 = 40 I I = 120/40 = 3 A Exercício: A corrente que passa por um resistor é 4 A e a DDP nos seus terminais é de 12 V. Qual é sua resistência? Solução: V = R I 12 = R 4 R = 12/4 = 3 Ω Resistividade - A resistência de um corpo depende do material de que é feito, é proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional à área da seção atravessada pela corrente. Esta é a 2 a Lei de Ohm. R = ρ L / A L é o comprimento em metros, A é a área em metros quadrados, R é a resistência em Ohms, ρ é a resistividade e depende, apenas, do material de que é feito. Medida em [Ω.m]. Exercício: Qual a resistividade do material de um resistor de 4 Ω que tem comprimento de 1,5 cm e área de seção reta igual a 3 mm 2 : Solução: 1,5cm = 1, m, 3mm 2 = m 2 R = ρ L / A 4 = ρ 1, / ( ) ρ = / (1, ) = 8, Ωm

3 ENERGIA e POTÊNCIA. Potência Elétrica: P = V I Energia Elétrica: E = P t Quilowatt-hora: E = P t P = potência elétrica em Watts (W), V = voltagem ou ddp em Volts (V) I = intensidade de corrente - em Ampères (A) E = energia elétrica - em Joules (J), P = potência elétrica em Watts (W) t = tempo em segundos. É uma outra maneira de medir a energia elétrica: E = energia elétrica em Quilowatt-hora (kwh), P = potência elétrica em kw t = tempo medido em horas. Um quilowatt-hora vale Joules. Exercício Resolvido: Certo elemento de um circuito tem em seus terminais uma tensão de 3,5 V e por ele passa uma corrente de 4 A. Qual a potência que este elemento dissipa? Qual a energia consumida se for usada por 10 segundos? Solução: P = V I P = 3,5 4 = 14W, E = P t E =14 10 = 140J Exercício Resolvido: Uma lâmpada de 60 W é ligada todos os 30 dias do mês durante 6 horas. Qual a energia consumida? Solução: t = 30 6 = 180 h E = = 7200 Wh = 7,2 kwh E = P t E = = 7200 Wh = 7,2 kwh Potência nos resistores: P = VI, V = RI P = RI 2 P = VI, I = V/R P = V 2 / R Exercício Resolvido: Qual a potência consumida por um resistor de 3 Ω no qual passa uma corrente de 5 A? Solução: P = R I 2 = P = = 75 W Exercício Resolvido: Qual a Resistência de uma lâmpada de 100W ligada a uma tensão de 110V? Solução: P = V 2 / R 100 = (110) 2 / R R = (110) 2 / 100 = 121 Ω Geradores Elétricos - São máquinas que transformam algum tipo de energia da natureza em energia elétrica. Chama-se Força Eletromotriz - F.E.M. de um gerador à DDP criada pelo gerador. Circuitos Elétricos - São conjuntos de elementos consumidores de energia elétrica, conectados por meio de fios metálicos a um gerador. As correntes fluem do maior potencial para o menor passando pelos elementos. Chaves: São elementos colocados no circuito elétrico para criar opções diferentes de passagem para a corrente. Podem estar ligadas, permitindo a passagem da corrente elétrica ou desligadas, evitando sua passagem. Fusíveis: São elementos de proteção do circuito elétrico. Não permitem que as correntes ultrapassem um valor para o qual foram projetados. Assim podem-se evitar danos ao circuito causado por altas correntes indesejáveis. UERJ-2010-terceira prova. O circuito elétrico de refrigeração de um carro é alimentado por uma bateria ideal cuja força eletromotriz é igual a 12 volts. Admita que, pela seção reta de um condutor diretamente conectado a essa bateria, passam no mesmo sentido, durante 2 segundos, 1, elétrons. Determine, em watts, a potência elétrica consumida pelo circuito durante esse tempo. Carga do elétron: 1, C. Solução: Q = n e Q = 1, , = 1,6 C I = Q/t = 1,6/2 = 0,8 A P = V I = 12 0,8 = 9,6 W

4 ENEM A instalação elétrica de uma casa envolve várias etapas, desde a alocação dos dispositivos, instrumentos e aparelhos elétricos, até a escolha dos materiais que a compõem, passando pelo dimensionamento da potência requerida, da fiação necessária, dos eletrodutos (condutos por onde passa a fiação de uma instalação elétrica, com a finalidade de protegê-la), entre outras. Para cada aparelho elétrico existe um valor de potência associado. Valores típicos de potências para alguns aparelhos elétricos são apresentados a seguir: Aparelho de som = 120 W; Chuveiro elétrico = W; Ferro elétrico = 500 W; Televisor = 200 W; Geladeira = 200 W; Rádio = 50 W A escolha das lâmpadas é essencial para obtenção de uma boa iluminação. A potência da lâmpada deverá estar de acordo com o tamanho do cômodo a ser iluminado. O quadro a seguir mostra a relação entre as áreas dos cômodos (em m2) e as potências das lâmpadas (em W), e foi utilizado como referência para o primeiro pavimento de uma residência. Área do Potência da Lâmpada (W) Cômodo Sala/copa Quarto, varanda Banheiro (m2) /cozinha e corredor Até 6, ,0 a 7, ,5 a 10, Obs.: Para efeitos dos cálculos das áreas, as paredes são desconsideradas. Considerando a planta baixa fornecida, com todos os aparelhos em funcionamento, a potência total, em watts, será de: Solução: Somando os equipamentos listados: Aparelho de som, Chuveiro, Ferro, Televisor, Geladeira e Rádio temos um total de: = W. A cozinha tem 9 m 2 e precisa de uma lâmpada de 100 W, a sala tem 8,4 m 2 e precisa de uma lâmpada de 100 W, o banheiro tem 3,15 m 2 e precisa de uma lâmpada de 60 W e o corredor tem 1,35 m 2 e precisa de uma lâmpada de 60 W. Total das lâmpadas: = 320 W. Total da casa: = 4390 W. PUC 2010 grupo 3. Os chuveiros elétricos de três temperaturas são muito utilizados no Brasil. Para instalarmos um chuveiro é necessário escolher a potência do chuveiro e a tensão que iremos utilizar na nossa instalação elétrica. Desta forma, se instalarmos um chuveiro de W utilizando a tensão de 220 V, nós podemos utilizar um disjuntor que agüente a passagem de 21 A. Se quisermos ligar outro chuveiro de potência de W em uma rede de tensão de 110 V, qual deverá ser o disjuntor escolhido? (A) 21 A (B) 25 A (C) 45 A (D) 35 A (E) 40 A Solução: P = V I = 110 I I = 4.500/110 = 41 A escolhemos o de 45 A. UFF 2009 segunda fase. Um aquecedor elétrico usa um resistor de 20 Ω ligado a uma diferença de potencial de 100 V para aquecer a água. Calcule a potência consumida pelo aquecedor quando ligado. Solução: P = V I, I = V/R P = V 2 /R P = /20 = 500 W UERJ 2008 segunda etapa. Uma torradeira elétrica consome uma potência de 1200 W, quando a tensão eficaz da rede elétrica é igual a 120 V. Se a tensão eficaz da rede é reduzida para 96 V, a potência elétrica consumida por essa torradeira, em watts, é igual a: (A) 572 (B) 768 (C) 960 (D) 1028 Solução: P = V 2 /R 1200 = /R R = /1200 = 12 Ω P = V 2 /R P = 96 2 /12 = 768 W UERJ 2008 primeira etapa. Em residências conectadas à rede elétrica de tensão eficaz igual a 120 V, uma lâmpada comumente utilizada é a de filamento incandescente de 60 W. A corrente elétrica eficaz, em ampères, em uma lâmpada desse tipo quando acesa, é igual a? A resistência do filamento, em ohms, em uma lâmpada desse tipo quando acesa, é da ordem de? Solução: P = V I 60 = 120 I I = 0,5 A V = R I 120 = R 0,5 R = 240 Ω

5 ENEM 2010.a. Uma estudante que ingressou na universidade e, pela primeira vez, está morando longe da sua família, recebe a sua primeira conta de luz: Se essa estudante comprar um secador de cabelos que consumo 1000 W de potência e considerando que ela e suas 3 amigas utilizam esse aparelho por 15 minutos cada uma durante 20 dias no mês, o acréscimo em reais na sua conta mensal será de A) R$ 10,00 B) R$ 12,50 C) R$ 13,00 D) R$ 13,50 E) R$ 14,00 Solução: Quatro garotas usando secador por 15 minutos fazem uma hora de uso, em vinte dias no mês, fazem 20 h de uso. O secador tem 1000 W ou 1kW, seu consumo mensal será de 1 kw x 20 h = 20 kwh. Na conta de luz vemos que um gasto de 260 kwh custou R$ 130,00 mais uma alíquota de 25%. Então 20 kwh vão custar R$ 10,00 mais 25%, ou seja, mais R$ 2,50. Total R$ 12,50 UERJ 2010 segunda prova. A tabela abaixo mostra a quantidade de alguns dispositivos elétricos de uma casa, a potência consumida por cada um deles e o tempo efetivo de uso no verão. Considere o custo de 1 kwh = R$0,50 Durante 30 dias do verão, o gasto total com esses dispositivos, em reais, é cerca de: (A) 234 (B) 513 (C) 666 (D) 1026 Solução: Energia consumida pelos ares-condicionados: 2 x 1,5 kw x 8 h x 30 dias = 720 kwh. Pela Geladeira: 0,35 kw x 12 h x 30 dias = 126 kwh. Pelas lâmpadas: 10 x 0,1 kw x 6 h x 30 dias = 180 kwh. Consumo total: = kwh. Custo: x 0,50 = R$ 513,00.

6 Exercícios 1. Quantos elétrons há em 8 milionésimos de Coulomb? 2. Cem quintilhões (10 20 ) de elétrons passaram por um condutor elétrico durante quatro minutos e dez segundos. Qual foi a corrente elétrica? 3. Uma carga de 900 C leva um minuto e meio para passar de um ponto A para um ponto B onde há uma diferença de potencial de 15 V. Qual é o valor da corrente elétrica? Qual é a resistência entre os pontos A e B? 4. Uma bateria de 12 V alimenta uma buzina de 16 Ω. Qual a intensidade da corrente? 5. Uma lâmpada está ligada à 120 V e por ela passa uma corrente de 0,5 A. Qual é sua resistência? Se ela ficar ligada por uma hora qual a carga (quantos Coulombs) que vai passar por ela? 6. Aplica-se 100 V nos terminais de um fio metálico de 20 m de comprimento e seção circular de 2 mm. Sabendo-se que a corrente elétrica é de 10 A. Qual a resistência do fio? Qual é a resistividade do material? 7. Calcule a resistência elétrica de um fio condutor de cobre, de 60 m de comprimento e 3,0 mm 2 de área de seção transversal. A resistividade do cobre é de 1, Ω.m Exercícios 1. Um tubo de raios X opera com uma corrente de 7,0 ma e tensão de 80 kv. Que potência consome? 2. Qual é a resistência de uma lâmpada que consome 240 W ligada em uma fonte de 120 V? Quantos kwh a lâmpada consome se ficar ligada dez horas? Quantos Joules ela consome se ficar ligada 2 minutos? 3. Qual é a conta da luz mensal de uma casa que tem 5 lâmpadas de 60 W que ficam ligadas 5 horas durante 30 dias do mês? O preço do kwh é de 50 centavos. 4. Quem gasta mais: um chuveiro de 2400 W que fica ligado 10 minutos ou uma lâmpada de 100 W que fica ligada 3 horas? 5. Um aquecedor elétrico alimentado por 120 V é mergulhado em uma chaleira que tem 600 gramas de água a 28 o C. A corrente que passa pelo aquecedor é de 4,2 A. Sabendo-se que uma caloria vale 4,2 Joules, quantos minutos serão necessários para a água ferver? Suponha que não há perdas. Dica: Q = m c T, Q é uma energia medida em calorias. 6. (UENF-1998) Um chuveiro elétrico, em pleno funcionamento, está ligado a uma rede de 120 V. Admitindo que a especificação técnica nominal do chuveiro é: 2400 W 120 V, calcule: a) a resistência interna deste chuveiro. b) a energia consumida, em kwh, durante 10 minutos. Dica: 10 minutos = 1/6 h 7.(UERJ-2003) Calcule qual seria o valor, em reais, da energia elétrica contida em um raio. Para isto considere os seguintes dados: potencial elétrico do relâmpago: P = 2, V; corrente elétrica do raio: I = 1, A; duração do relâmpago: t = 1ms; valor de 1kWh = R$0,50.