M013 - Efeito Joule

Efeito Joule

Neste Módulo nós veremos alguns conceitos importantes para eletrônica. Vamos discutir os conceitos de Potência e Energia.

O que é potência e energia? Estes conceitos vem da física e tem haver com a realização de trabalho e o quanto rápido queremos realizar este trabalho. Veja a situação representada na figura 1:

Fig 1

Neste esquema nós temos uma caixa que queremos deslocar entre os pontos A e B. Para deslocar esta caixa nós aplicaremos a força F.

Já sabemos que se a caixa for mais pesada, teremos que aplicar uma força F maior e gastaremos mais energia para conseguir deslocar a caixa de A para B. Gastar mais energia significa que ficaremos mais casados, ou seja "trabalharemos" mais para conseguir deslocar a caixa.

Deste esquema simples vem as definições de potência e trabalho. Trabalho é justamente a energia total que gastaremos para deslocar a caixa de A para B.

Imagine agora que queremos deslocar a mesma caixa só que bem mais rápido. Para isto teremos que aplicar uma força F maior por um intervalo de tempo menor, já que a caixa chegará ao ponto B antes.

O conceito de potência é justamente o quanto rápido nós conseguimos deslocar a caixa de A para B. Ou seja, imagine que temos um grupo de 2 homens para empurrar a caixa. Suponhamos que estes 2 homens levam 10 minutos para deslocar a caixa. Vamos agora dobrar o número de homens. Em média 4 homens farão o dobro da força F do que 2 homens. Mas o tempo que levarão para deslocar a caixa, em média corresponderá à metade do tempo de 2 homens. Podemos dizer então que um grupo de 4 homens tem o dobro da potência se comparado ao um grupo de 2 homens. O trabalho final entretanto será o mesmo. Ou seja a mesma caixa será deslocada de A para B, só que na metade do tempo.

A energia e a potência aplicados ao esquema da figura 1 podem ser definidos como:

E = F x D Energia = produto da Força pela Distância de deslocamento D;

P = E / T Potência = Energia gasta dividida pelo Tempo de deslocamento;

O Efeito Joule

No exemplo da figura 1 nós vimos as definições de Potência e Energia aplicados a um sistema mecânico. Veremos agora estes conceitos aplicados a um sistema elétrico.

O efeito Joule, que estudaremos agora, foi descoberto e estudado pelo físico James Joule no século 19.

Joule descobriu que num sistema elétrico existe uma relação bem definida entre tensão, corrente, energia e potência. Seus estudos se basearam no aquecimento causado pela passagem da corrente elétrica num condutor. Joule descobriu que, ao se passar uma corrente elétrica por um material condutor um dos resultados é o aquecimento do mesmo pela energia térmica originada do deslocamento das cargas elétricas. Esta energia térmica vem da colisão dos elétrons com os núcleos de átomos do material, causando o aquecimento do átomo e portanto do material.

Fig 2

A fórmula descoberta por Joule, aplicada a circuitos elétricos, é a seguinte:

Q = I² x R x t fórmula 1

Onde:

Q é a energia térmica gerada pela passagem da corrente;

I é a intensidade da corrente elétrica;

R é a resistência do material condutor;

t é o tempo de condução da corrente elétrica;

Mas pelo exemplo da figura 1 sabemos que se dividirmos a energia pelo tempo obtemos potência. Assim a potência dissipada no circuito é dada por:

P = Q / t fórmula 2

Assim, pela fórmula 1 e 2 chegamos a:

P = I² x R fórmula 3

Pela lei de Ohm que estudamos no módulo M010 podemos concluir que:

P = I² x R então: P = I x I x R = I x V logo: P = I x V

a Potência é igual ao produto da corrente pela tensão.

Ou ainda:

P = I x V então: P = (V / R) x V = V² / R logo: P = V² / R

a Potência é igual Quadrado da Tensão dividido pela resistência

A unidade para Potência no Sistema Internacional é o Watt.

Pelas fórmulas acima:

1W = 1A x 1V

1 Watt é a Potência dissipada quando uma corrente de 1A circula por um dispositivo e provoca uma diferença de potencial em seus terminais de 1V.

A seguir um resumo das fórmulas usadas para análise de circuitos resistivos (Ohm e Joule):

V = R x I;
I = V / R;
R = V / I;
P = I² x R;
P = V² / R;
P = V x I;