Efeito Joule

1. Objetivo da experiência:

Comprovar experimentalmente a lei de Joule, a conservação de energia e as leis de kirchhoff.

2. Lista de material de laboratório para a experiência:

Fonte CC variável; Resistores: 47Ω (1/4W), 100Ω (1/4W) e 100Ω (5W); Multímetro; Protoboard.

3. Revisão teórica:

Quando um condutor é aquecido ao ser percorrido por uma corrente elétrica, ocorre uma transformação de Energia Elétrica em Energia Térmica. Este fenômeno é conhecido como efeito Joule, em homenagem ao Físico Britânico James Prescott Joule (1818-1889).Esse fenômeno ocorre devido o encontro dos elétrons da corrente elétrica com as partículas do condutor. Os elétrons sofrem colisões com átomos do condutor, parte da energia cinética(energia de movimento) do elétron é transferida para o átomo aumentando seu estado de agitação, conseqüentemente sua temperatura. Assim, a energia elétrica é transformada em energia térmica (calor).

Ela pode ser expressa por:

onde:

Q é o calor gerado por uma corrente constante percorrendo uma determinada resistência elétrica por determinado tempo.

I é a corrente elétrica que percorre o condutor com determinada resistência R. R é a resistência elétrica do condutor. t é a duração ou espaço de tempo em que a corrente elétrica percorreu ao condutor.

Nos resistores elétricos pode-se calcular a potência dissipada utilizando a lei de Joule:

A descoberta da relação entre eletricidade e calor trouxe ao homem vários benefícios.Muitos aparelhos que utilizamos no nosso dia-a-dia têm seus funcionamentos baseados no Efeito Joule.

4. Procedimento experimental e valores da experiência:

4.1 Mantenha a fonte desligada e os ajustes de tensão e corrente em zero. Em seguida limite a fonte de corrente em 130 mA e monte o circuito com o resistor de 100Ω-1/4W:

4.2 Varie a ddp da fonte de tensão conforme os valores abaixo e meçam a tensão e a corrente no resistor, anotem os valores e calculem a potencia sobre o resistor:

Figura 1

Resultados obtidos:

Ddp fonte (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tensão (v) 0.73 1.4 2.1 2.74 3.42 4.11 4.84 5.52 6.13 6.84

Corrente (mA)

7.4 14.1 21.1 27.6 34.8 41.3 48.5 55.2 62.7 69.9

Potencia (mW)

5,40 19,74 44,31 75,62 119,02 169,74 234,74 304,70 384,35 478,12

4.3 Repita o procedimento anterior com o resistor de 100Ω-5W

Ddp fonte (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tensão (v) 0.69 1.41 2.08 2.76 3.49 4.15 4.85 5.56 6.24 6.88

Corrente (mA)

7.10 13.80 20.60 27.40 34.50 41.50 48.20 54.60 61.50 68.10

Potencia (mW)

4,90 19,46 42,85 75,62 120,41 172,23 233,77 303,58 383,76 468,53

Comentários: Os resultados práticos mantiveram próximos aos encontrados aplicando as fórmulas da lei de

ohm, leves discrepâncias podem ser explicadas devido ao grau de precisão do instrumento usado na medição.

4.4 Monte o circuito abaixo:4.5 Meça, anote e calcule:4.6 Verifique o aquecimento dos resistores:

Figura 2

R Tensão sobre cada resistor

(V)

Corrente sobre cada resistorI(mA)

Potencia calculada sobre cada resistor

(mW)100Ω - 1/4W 6.28 61.9 388.73100Ω - 5W 6.28 63.5 398.7847 Ω - 1/4W 5.91 124.9 738.16

4.7 Através da tabela anterior verifiquem se a potência cedida pela fonte é igual ás potências dissipadas nos resistores. Utilizem os valores medidos e o nominal da fonte.

Potência cedida pela fonte:

Valores nominais: P = V x I P = 12 x 0,124 P = 1,488 W

Valores medidos:P = V x IP = 12,2 x 0,124P = 1,513 W

Potência dissipada nos resistores:

100Ω - 1/4W 388,73 mW 100Ω - 5W 398,78 mW 47 Ω - 1/4W 738,16 mW Potência Total dissipada 1,526 W

4.8 Ainda, através da tabela anterior verifiquem as leis de kirchhoff utilizando os valores medidos.

Figura 3

1ª Lei de Kirchhoff (Lei das Correntes ou Leis dos Nós)

Em um nó, a soma das correntes elétricas que entram é igual à soma das correntes que saem, ou seja, um nó não acumula carga.

, sendo a corrente elétrica .

Isto é devido ao Princípio da Conservação da Carga Elétrica, o qual estabelece que num ponto qualquer a quantidade de carga elétrica que chega (δ ) deve ser exatamente igual à quantidade que sai (δ + δ

), δ = δ + δ Dividindo por δt:

124,9 61,9 + 63,5

2ª Lei de Kirchhoff (Lei das Tensões ou Lei das Malhas)

A soma algébrica da d.d.p (Diferença de Potencial Elétrico) em um percurso fechado é nula. Ou seja, a soma de todas as tensões (forças eletromotrizes) no sentido horário é igual a soma de todas as tensões no sentido anti-horário, ocorridas numa malha, é igual a zero.

V – VAB - VDE = 0

12,2 – 5,91 – 6,28 0

5. Resultados:5.1 construa o gráfico P x I de cada resistor.

Resistor 100Ω - ¼ W

Resistor 100Ω - 5 W

5.2 Qual resistor aquece mais e por quê?

Foi verificado um maior aquecimento do resistor de 47Ω, pois sobre o mesmo percorreu o maior valor de corrente resultando numa maior potência dissipada.

5.3 A conservação de energia foi totalmente verificada e houve algum desvio no valores?

A lei de conservação de energia foi observada com leves desvios, dentro dos valores aceitáveis de tolerância.

5.4 As leis de kirchhoff foram atendidas? Houve discrepâncias?Como mostrado no item 4.8 tanto para tensão de nós com para correntes de malha a experiência mostrou-se satisfatória na comprovação das leis de kirchhoff. Leves discrepâncias podem ser explicadas devido ao grau de precisão do instrumento usado na medição.

Observações:A potência dissipada nos resistores de 47Ω - ¼ W e 100 Ω - ¼ W em alguns casos ultrapassou a potência nominal (0,25W) que é a potência máxima que o resistor poderá dissipar sem se danificar.Com isso alguns valores não foram muito precisos, tendo em vista que a lei de Ohm mostra que a relação entre a tensão elétrica aplicada a um resistor e a intensidade de corrente elétrica que o percorre é constante quando a temperatura é mantida constante.