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Circuitos Elétricos – Chuveiro – Versão 2.0 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 18 de agosto de 2009

Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2009 – MEC e MCT

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GGuuiiaa ddoo PPrrooffeessssoorr

EExxppeerriimmeennttoo

CCiirrccuuiittooss EEllééttrriiccooss –– CChhuuvveeiirroo



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Caro Professor(a),

Esse guia visa apresentar o experimento produzido para trabalhar com a

temática “Corrente Elétrica”, assim como todos os outros recursos elaborados

para trabalhar com essa temática, os respectivos conteúdos abordados em cada

um deles e links e bibliografias pertinentes.

É importante mencionar que a utilização desses materiais deve seguir a sua

concepção de ensino e aprendizagem. No entanto, de maneira geral, eles foram

produzidos visando motivar o aluno a questionar e refletir sobre o tema em

questão, através de situações problematizadoras, em contextos curiosos e

instigantes para o aluno do Ensino Médio, possibilitando o aprendizado de uma

ciência mais contextualizada, com implicações tecnológicas e sociais.

- Mídias desenvolvidas sobre o tema “Corrente Elétrica”:

Para trabalhar com esse tema, foram desenvolvidas três mídias, que apesar de

estarem publicadas separadamente, poderão ser todas baixadas do Portal do

Professor para a sua máquina:

1. Vídeo – Circuitos Elétricos;

2. Software – Circuitos;

3. Experimento – Circuitos Elétricos - Chuveiro.

A seguir apresentaremos um quadro com os detalhamentos dessas mídias.

Mídias Comentários

Vídeo

O vídeo trabalha o conceito de corrente elétrica a

partir de duas situações inusitadas e curiosas

vividas pelas equipes Vermelha e Azul, que têm

como missão buscar algo surpreendente usando o

conceito de corrente elétrica.



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A equipe Vermelha é convidada estudar o

eletrocardiograma (ECG) que é um exame médico

na área de cardiologia onde é feito o registro da

variação dos potenciais elétricos gerados pela

atividade elétrica do coração.

Já a equipe Azul, irá recarregar uma bateria

descarregada, pois a missão é colocar o carro

novamente para andar. Para isso trabalham com o

conceito de Alternador.

Software

Propõe cenas interativas problematizando o

conceito de circuitos elétricos em que o aluno pode

explorar exemplos de complexidade crescente e

questionamentos que permitem analisar os

exemplos já conhecidos. Dessa forma, o aluno vai

adquirindo os conceitos formais e refinando seus

pré-conceitos intuitivos a respeito de cada situação.

Experimento

Esse experimento leva o aluno a conhecer o

funcionamento do chuveiro elétrico: O que significa

a posição “verão” e “inverno” no chuveiro?

Os conceitos envolvidos são corrente elétrica,

tensão, resistência, potência, quantidade de calor,

energia elétrica.

Cada uma dessas mídias possui um guia para auxiliá-lo no desenvolvimento das

atividades.

A seguir são disponibilizadas as informações específicas para o experimento

“Circuitos Elétricos – Chuveiro” onde é apresentado a você, professor, um



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detalhamento sobre todas as etapas do experimento, seus objetivos e formas

de o desenvolver em sua sala de aula.

Utilizando a versão html (site) do experimento

Segue um breve resumo de como o recurso está estruturado em sua versão

HTML (site):

Dados Gerais - apresenta as seguintes informações: série na qual

normalmente tal conteúdo é trabalhado, os assuntos relacionados, o tempo

previsto e os pré-requisitos para a execução do experimento, assim como os

objetivos que fundamentam sua aplicação.

Introdução - apresenta a fundamentação teórica dessa temática.

Condições de Segurança - é extremamente importante a você,

professor, por sugerir cuidados ao executar as etapas do experimento.

Procedimento - apresenta como desenvolver o experimento, quais os

materiais utilizados, assim como as etapas a seguir.

Orientações - traz orientações ao professor sobre a utilização, o

desenvolvimento e a aplicação desse material em sala de aula.

Questões – apresenta questões e respostas que podem ajudar no

embasamento teórico da aula. Estas questões estão dividas em três categorias:

questão prévia, que pode antecipar o experimento, questões relativas aos

resultados, questões para reflexão e discussão e questões desafios, que são

mais amplas e reflexivas relacionadas com o assunto.



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Sugestão de Interface com outras disciplinas – apresenta

informações que possibilitam um trabalho interdisciplinar.

Informações Adicionais - traz sugestões de links, biografias e

explicações complementares que complementam o trabalho realizado.

De professor para professor – vídeo que traz sugestões de um outro

professor, também do ensino médio, sobre o desenvolvimento do experimento

proposto.

Créditos – apresenta informações relativas a autoria do material, do

projeto Acessa Física e seus financiadores.

Guia do Professor – apresenta link para baixar este guia do professor

em formato PDF, possibilitando a utilização do recurso mesmo em situações

onde não seja possível o acesso a um computador. Para visualizar arquivos PDF

é necessário utilizar o Acrobat Reader. Caso não possua o programa nesta

sessão também é disponibilizado um link para baixá-lo.

Recursos Adicionais

Acessibilidade Visual - pensando na questão de conforto e

acessibilidade visual, o material possui a funcionalidade de aumento e

diminuição do tamanho da fonte.



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Impressão da página – permite a impressão de cada página do site

separadamente, oferencendo flexibilidade na utilização parcial do conteúdo com

seus alunos.

Ajuda – apresenta breve descrição de cada item do site.

Navegação Linear – apresentada no início e fim de cada

página, fornece uma forma linear de navegação pelo conteúdo do recurso,

percorrendo todas as sessões do site ordenadamente.

Segue o conteúdo completo do experimento para impressão e utilização do

mesmo em situações onde não seja possível o acesso a um computador.

Bom experimento!



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Home - Experimento

Circuitos Elétricos - Chuveiro

Circuitos Elétricos - Chuveiro

Questões Prévias Para aquecer a água de um chuveiro são utilizados resistores como mostra a figura. Na posição “verão” a ligação seria entre que terminais? E na posição “inverno”?



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Dados Gerais

Atividade: Circuitos Elétricos - Chuveiro. Série escolar: 2ª e 3ª Séries do Ensino Médio. Tema da atividade: Corrente elétrica e circuitos. Assunto: Lei de Ohm, Associação de resistores, Funcionamento de um chuveiro elétrico. Tempo Previsto: Três aulas de 50 minutos. Palavras-Chaves: Física no cotidiano, chuveiro elétrico, tensão, corrente elétrica, resistência, potência, aquecimento. Conceitos envolvidos: Corrente elétrica, tensão, resistência, potência, quantidade de calor, energia elétrica. Pré-requisitos: A fundamentação teórica desenvolvida em sala de aula envolvendo os conceitos necessários: a Lei de Ohm e associação de resistores. O aluno deverá observar na sua casa a tensão e a potência do chuveiro e trazer uma conta domiciliar de energia elétrica.

Objetivo

• Demonstrar a relação entre a tensão e a corrente para resistores – Lei de Ohm.

• Associar resistores em série e em paralelo, medindo a resistência equivalente à associação.

• Verificar como varia a corrente e a tensão nas associações. • Determinar os valores da resistência elétrica do resistor de um chuveiro

nas posições inverno e verão. • Compreender o conceito de potência elétrica. • Compreender o funcionamento de um chuveiro elétrico. • Quantificar o consumo de energia elétrica domiciliar.



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Introdução

Neste experimento, são apresentadas sugestões ao professor para que seus alunos verifiquem, na etapa inicial, a lei de Ohm experimentalmente; em seguida, como a tensão e a corrente são distribuídas nos circuitos envolvendo associações de resistores em série e em paralelo; e na etapa final, como os conceitos das etapas anteriores estão envolvidos em aparelhos elétricos domiciliares, por exemplo, o chuveiro elétrico.

Conceitos básicos tratados neste experimento:

1. Intensidade da corrente elétrica. 2. Diferença de potencial ou Tensão elétrica. 3. Resistência elétrica. 4. Lei de Ohm. 5. Potência elétrica. 6. Efeito Joule.

Condições de Segurança

Lista de Materiais

• 1 multímetro. • 4 pilhas de 1,5V.

• A experiência com o chuveiro deve sempre ser feita com ele desmontado, jamais ligado à rede.

• Permaneça com o multímetro desconectado do circuito quando fizer uso da chave seletora.



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• 2 resistores com resistências da mesma ordem de grandeza. Exemplo: R1 = 270 Ω e R2 = 560 Ω.

• Lâmpada com soquete com bulbo esférico (6,0V-500 mA). • Resistor de chuveiro comercial. • 2 cabos jacaré–jacaré. • Conta mensal domiciliar de energia elétrica.

Observação: É possível realizar o experimento com apenas um multímetro, entretanto, recomenda-se um multímetro por grupo de alunos. Etapas do procedimento

Etapa 1: Lei de Ohm • Monte o circuito como mostra a figura 1.

• Coloque uma pilha de 1,5 V entre os pontos B e C. • Para medir a corrente elétrica que atravessa um trecho do circuito o

multímetro entre A e C vai ser colocado em série abrindo o circuito (Figura 1b). Para medir a tensão, colocar em paralelo (Figura 1c), ou seja:



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o Mova, no multímetro, a chave de seleção para medir 200 mA (200m-DCA), e insira o multímetro entre A e C, e anote o valor da corrente.

o Repita os passos anteriores para 3,0 V (2 pilhas em série), 4,5 V (3

pilhas em série) e 6,0 V (4 pilhas em série). Construa uma tabela com os valores obtidos.

• Troque o resistor por uma lâmpada e repita o procedimento construindo

também uma tabela. • Em todos os experimentos repita o procedimento para a tensão, circuito

(Figura 1c). • Faça os gráficos U × i para os dois casos. • Nos dois casos, calcule a resistência obtida pela lei de Ohm para cada par de

valores medidos.

Tabela 1: Lei de Ohm

U(V) i(A) R(Ω)

Resistor

Lâmpada

Etapa 2: Associação de Resistores 2.1 – Procedimento – Associação em série • Meça a resistência de cada resistor utilizando o multímetro como ohmímetro. • Associe os dois resistores da mesma ordem de grandeza (Figura 2a) em

série, meça a resistência equivalente entre os pontos A e B da associação e coloque este valor na tabela 2.



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• Ajuste a fonte para 4,5 V (3 pilhas de 1,5 V em série) e monte o circuito como mostra a figura 2b. Lembre–se que você precisará abrir o circuito ao inserir o multímetro para medir corrente.

• Meça as tensões entre os pontos A e B (UAB), A e C (UAC) e C e B (UCB)

utilizando o multímetro como voltímetro. Coloque estes valores na tabela 2. • Meça a corrente, i, utilizando o multímetro como amperímetro, colocando em

série no circuito (Figura 2b). • Meça a corrente que circula entre os resistores 1 e 2, colocando o

amperímetro entre os dois resistores, e coloque o valor na tabela 2. • Meça a corrente colocando o amperímetro entre o resistor R2 e a fonte, e

coloque o valor na tabela 2. Observação: Em todos os experimentos use somente um multímetro de cada vez.

Tabela 2: Associação de resistores em série

U(V) i(A)

R(Ω)

Ohmímetro

Série

UAB= i= R=

UAC= i1= R1=

UCB= i2= R2=



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2.2 – Procedimento – Associação de resistores em paralelo • Meça a resistência de cada resistor utilizando o multímetro como ohmímetro

e coloque os valores na tabela 3. • Associe os dois resistores (Figura 3a) em paralelo, meça a resistência

equivalente entre os pontos A e B da associação e coloque este valor na tabela 3. Ajuste a fonte para 4,5 V (3 pilhas de 1,5 V em série) e monte o circuito como mostra a figura 3b.

• Meça a tensão entre os pontos A e B, utilizando o multímetro como voltímetro. Coloque este valor na tabela 3.

• Meça a corrente, i, utilizando o multímetro como amperímetro (Figura 3b).

Coloque este valor na tabela 3. • Meça as correntes i1 e i2 que circulam nos resistores 1 e 2 e coloque os

valores na tabela 3.

Tabela 3: Associação de resistores em Paralelo

R(Ω)

Ohmímetro 1/R(Ω-1) U(V) i(A)

R= 1/R= UAB= i=

R1= 1/R1= I1=

R2= 1/R2= I2=



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Etapa 3: Funcionamento de um chuveiro Sugestão: Como abordar o assunto com os alunos? Para aquecer a água de um chuveiro elétrico são utilizados resistores. A resistência, que nada mais é do que um fio de um determinado comprimento enrolado em forma de mola, fica mergulhada na água dentro do chuveiro. Vale lembrar que mesmo sem estar em funcionamento, sempre haverá água dentro do chuveiro, pois o mesmo funciona como uma pequena caixa de água. Um resistor ao conduzir uma corrente elétrica gera calor. O chuveiro possui um resistor dentro dele. Quando o chuveiro é ligado, a água passa pelo cano sobre esse resistor, que por estar muito quente, aquece a água. Isso responde por que quando deixamos passar pouca água, ela sai mais quente. Quando pouquíssima água passa, um disjuntor desliga o aquecimento. Mas, e as posições Inverno e Verão dos chuveiros, como funcionam? A figura 4 mostra um chuveiro com duas temperaturas correspondentes às posições inverno e verão e como os resistores estão conectados no interior do chuveiro.

• Meça as resistências do chuveiro entre os pontos A-B, B-C e A-C (figura 5),

utilizando o multímetro. Coloque os valores na tabela 4.



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• Utilizando uma conta mensal de energia elétrica da sua casa (figura 6), anote o consumo mensal em kWh e o valor total pago. No chuveiro da sua casa, leia e anote o valor da potência nominal no chuveiro.

• Calcule usando a lei de ohm os valores da corrente e da potência entre os

pontos A-B, B-C e A-C (figura 5), quando estes pontos são submetidos a uma tensão de 220 V. Coloque estes valores na tabela 4.

• Com os dados do consumo de energia mensal da sua conta (figura 6), e do

valor pago, calcule o gasto mensal dos seus banhos, considerando a potência do chuveiro e o tempo de duração diário do seu banho. Coloque os valores encontrados na tabela 5.



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Tabela 4: Medidas das resistências Valores das potências e correntes

R(Ω) P(W) i(A)

A – B

B – C

A – C



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Tabela 5: Consumo mensal de energia elétrica – Banhos

Energia elétrica consumida em kWh

E =

Valor mensal da energia elétrica em R$ =

Valor do preço de 1 kWh=

Potência do chuveiro em kW

P chuveiro=

Duração do banho h

∆t diário =

∆t mensal =

Valor mensal dos banhos =

% do valor da conta mensal =

Orientações

Como usar o multímetro: Para as medidas da corrente elétrica, tensão e resistência nos circuitos elétricos pode ser utilizado um multímetro digital de baixo custo, como mostra a figura 7.



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Observe que há quatro terminais no multímetro:

• O primeiro à esquerda (VΩ) á utilizado para medir tensão contínua (DCV) e ou resistência (VΩ);

• O segundo é o terminal comum (-) • O terceiro (+) e quarto (+) para medir corrente (DCA) na escala de mA e

na escala de até 10A respectivamente. A seleção da função e escala é feita pela chave seletora. Dicas de segurança: permaneça com o multímetro desconectado do circuito quando fizer uso da chave seletora! Dicas de montagem: As sugestões a seguir referem-se a montagem utilizando os materiais descritos na seção "Procedimento – Lista de Materiais". Montagem para a medida da tensão: Para associar as pilhas em série colocadas nos suporte, utilize fita adesiva e para associar as duas lâmpadas, utilize clipes ou outro recurso disponível, e dois cabos jacaré/jacaré para fazer a ligação, como mostram as figuras 8, 9, e 10.



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Montagem para a medida da corrente: Para medida da corrente, sugerimos a ligação mostrada na figura 11.



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Montagem para a medida da resistência: O mesmo circuito utilizado para medir a tensão, colocando a chave seletora na posição, por exemplo, 2000Ω (resistências até 2000Ω). Selecione a função e a escala, utilizando a chave seletora. Caso não seja conhecida a escala a ser utilizada, comece sempre pelo valor mais alto, no caso de medida de corrente e tensão. Conecte a ponta de prova do cabo vermelho no terminal VΩ e a ponta do cabo preto no COM (comum). Para medir a resistência do chuveiro entre os pontos A e B e B e C, selecione a função ohmímetro, escala 200Ω (veja figura 12).

Observação: Os valores das resistências das pontas de prova, e o valor da resistência interna do aparelho podem interferir nas medidas de resistências que apresentam valores muito baixos.

Variação da resistência com a temperatura e vazão da água: comente com os alunos que a resistência do chuveiro pode variar quando está passando uma corrente elétrica, porque a variação da temperatura do resistor altera a resistividade e, portanto o valor da resistência. A vazão da água, ou seja, a



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quantidade de água por unidade de tempo também influi no valor da temperatura: quanto maior a vazão, menor o aquecimento.

Exemplo: Consumo mensal de energia elétrica – Quanto custa um Banho?

• Peça aos alunos: o Levarem uma conta de energia elétrica para a aula. o Verificarem qual a potência elétrica do chuveiro de suas casas.

• Em seguida calcularem o preço do kWh com os dados da conta da energia elétrica.

• Calculando a energia consumida diária e no mês do banho de chuveiro, pode–se calcular o custo dos banhos em um mês. Veja exemplo abaixo:

Considerando o valor da conta da energia elétrica (R$ 175,08) e a quantidade de energia consumida mensal (433 kWh), tem-se o valor do preço do kWh: Preço de 1 kWh = 175,08 / 433 = R$ 0,40 Potência do chuveiro: P = 5400 W = 5,4 kW Duração do banho: ∆t = 0,5 h

Energia consumida diária: E = P x ∆t = 5,4 (kW) x 0,5 (h) = 2,7 kWh

Energia consumida mensal: E= 2,7 x 30 = 81 kWh Total gasto: 81 x R$ 0,40 = R$ 32,40 Os banhos diários, com duração de 0,5h, correspondem a 18,5% da conta da energia mensal. Questões relativas ao resultado

Etapa 1: Questões relativas aos resultados – Lei de Ohm 1.1 – A partir dos dados tabelados, calcule o valor médio da resistência do resistor. 1.2 – Obtenha o valor da resistência do resistor a partir do gráfico U versus i. É igual ao obtido na questão 1.1? 1.3 – O valor da resistência medido com o ohmímetro para este resistor é igual aos obtidos nas questões anteriores? O resistor é um dispositivo ôhmico ou não?



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1.4 – Qual a resistência da lâmpada? 1.5 – Baseado no gráfico U versus i, pode–se dizer que a lâmpada é um dispositivo ôhmico? Justifique. Etapa 2: Questões relativas aos resultados – Associação de resistores Associação em série 2.1 – Qual a relação entre a resistência equivalente, R, medida e as resistências da associação em série dos dois resistores, R1 e R2? 2.2 – Qual a relação entre a tensão medida nos terminais da associação, UAB, com as tensões UAC e UCB? 2.3 – Os valores das correntes medidos foram iguais ou diferentes? Justificar a resposta. Associação em Paralelo 2.4 – Calcule a resistência equivalente da associação dos dois resistores em paralelo a partir dos valores de tensão e corrente medidos. 2.5 – Calcule a resistência equivalente considerando os valores medidos de R1 e R2, e compare com o valor obtido na questão anterior. 2.6 – Qual a relação entre a corrente total, i e as correntes i1 e i2?

Etapa 3: Questões relativas aos resultados – Funcionamento de um chuveiro elétrico 3.1 – Qual resistor apresentou menor resistência: o de maior comprimento ou de menor comprimento? Justificar a resposta. 3.2 – Entre quais posições a potência dissipada foi maior e a corrente foi menor? Justificar a resposta.



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Questões para reflexão e discussão

1 – Qual a diferença entre potência e energia? 2 – Por que os quadros de força de distribuição de energia localizam–se, normalmente, no centro geométrico das residências? 3 – Por que se usa fios de cobre nas instalações elétricas das residências?

3.3 – O que representam estes valores no aquecimento da água do chuveiro? 3.4 – Você consegue agora responder a questão prévia?



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Questão Desafio

Respostas

1 - O chuveiro da figura abaixo apresenta três temperaturas que estão indicadas no chuveiro como: quente, morno e muito quente. Quais as ligações que seriam realizadas entre os terminais dos resistores para obter essas temperaturas?

Questões relativas ao resultado Etapa 1: Questões relativas aos resultados – Lei de Ohm 1.1 – A partir dos dados tabelados, calcule o valor médio da resistência do resistor.



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Resposta: O valor encontrado deve ser igual ou próximo do valor da resistência do resistor utilizado = 270 Ω ou 540Ω. 1.2 – Obtenha o valor da resistência do resistor a partir do gráfico U versus i. É igual ao obtido na questão 1.1? Resposta: Deve ser igual ou aproximadamente igual ao valor da resistência encontrado no item anterior, não podendo apresentar erro maior que 5%. 1.3 – O valor da resistência medido com o ohmímetro para este resistor é igual aos obtidos nas questões anteriores? O resistor é um dispositivo ôhmico ou não? Resposta: a mesma resposta do item 1.2 O resistor é um resistor ôhmico porque a razão entre a tensão e a corrente é constante, que é igual ao valor da resistência. 1.4 – Qual a resistência da lâmpada? Resposta: Dependendo da corrente e da tensão aplicada nos terminais da lâmpada, obtém–se um valor diferente para a resistência. Exemplo: Para uma tensão de U = 1,5 V aplicada à lâmpada de 6 V: i = 20 mA R = 75 Ω Para U = 3 V: i = 38 mA R = 100Ω 1.5 – Baseado no gráfico U versus i, pode–se dizer que a lâmpada é um dispositivo ôhmico? Justifique. Resposta: Não, porque o gráfico U versus i não é uma reta e para valores da tensão U e a correspondente corrente i, obtivemos diferentes valores para R. Quando o dispositivo é ôhmico, o gráfico U versus i é uma reta passando pela origem, pois a tensão é diretamente proporcional à corrente, isto é, a razão entre a tensão e a corrente é constante e igual ao valor da resistência do resistor. Etapa 2: Questões relativas aos resultados – Associação de resistores



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Associação em série 2.1 – Qual a relação entre a resistência equivalente, R, medida e as resistências da associação em série dos dois resistores, R1 e R2? Resposta: a resistência equivalente é igual à soma das resistências associadas em série. R = R1 + R2

2.2 – Qual a relação entre a tensão medida nos terminais da associação, UAB, com as tensões UAC e UCB? Resposta: UAB = UAC + UCB

2.3 – Os valores das correntes medidos foram iguais ou diferentes? Justificar a resposta. Resposta: os valores das correntes foram iguais. Associação em Paralelo 2.4 – Calcule a resistência equivalente da associação dos dois resistores em paralelo a partir dos valores de tensão e corrente medidos. Resposta: Calcular o valor de cada resistência, utilizando a Lei de Ohm: R1 = U / i1 e R2 = U / i2. A resistência equivalente é calculada como sendo:

2.5 – Calcule a resistência equivalente considerando os valores medidos de R1 e R2, e compare com o valor obtido na questão anterior. Resposta: Para calcular a resistência equivalente, utilize a expressão:

2.6 – Qual a relação entre a corrente total, i e as correntes i1 e i2? Resposta: i = i1 + i2



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Etapa 3: Questões relativas aos resultados – Funcionamento de um chuveiro elétrico 3.1 – Qual resistor apresentou menor resistência: o de maior comprimento ou de menor comprimento? Justificar a resposta. Resposta: O resistor de maior comprimento apresentou maior resistência porque a resistência é diretamente proporcional ao comprimento:

3.2 – Entre quais posições a potência dissipada foi maior e a corrente foi menor? Justificar a resposta. Resposta: A potência dissipada foi maior entre os pontos AB porque a resistência é menor, conseqüentemente a corrente é maior e podemos observar que a potência varia com a corrente ao quadrado:

3.3 – O que representam estes valores no aquecimento da água do chuveiro? Resposta: Quanto menor a resistência, maior a corrente elétrica, maior a potência, maior o aquecimento do chuveiro. 3.4 – Você consegue agora responder a questão prévia? Resposta: na posição verão, a ligação é entre os pontos BC, porque apresenta maior resistência e na posição inverno entre os pontos AB, porque a resistência é menor. Questões para reflexão e discussão 1 – Qual a diferença entre potência e energia? Resposta: Potência é a capacidade de fornecer uma certa quantidade de energia por segundo. A energia pode ser usada para produzir trabalho ou pode ser dissipada sob forma de calor. Imagine um halterofilista que tem força para levantar até 200 kg. Ele tem potência. Quando nosso halterofilista suspender essa massa até uma altura h ele terá realizado um trabalho (W = F x h = mgh).



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Em conseqüência, gastou uma certa quantidade de energia. 2 – Por que os quadros de força de distribuição de energia localizam–se, normalmente, no centro geométrico das residências? Resposta: Como o valor da resistência é diretamente proporcional ao comprimento do fio, colocando–se o quadro de disjuntores no centro geométrico da construção, garante–se o menor comprimento dos fios de cada circuito. Assim sendo, economiza-se tanto no consumo de energia perdida por aquecimento dos fios como no custo total dos mesmos. 3 – Por que se usa fios de cobre nas instalações elétricas das residências? Resposta: A principal razão para a utilização do cobre é sua excelente condutividade elétrica.

Material Resistividade ρ (Ω m)

Condutores

Prata 1,58 x 10-8

Cobre 1,67 x 10-8

Alumínio 2,65 x 10-8

Tungstênio 5,6 x 10-8

Ferro 9,71 x 10-8

Semicondutores

Carbono (grafite) (3 - 60) x 10-5

Germânio (1 - 500) x 10-5

Isolantes

Vidro 109 - 1012

Borracha 1013 - 1015

Observe a diferença da resistividade, por exemplo, entre o cobre e o ferro. O ferro tem uma resistividade 10 vezes maior que o cobre.



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Sugestão de Interface com outras disciplinas

Geografia: Discutir as demandas de energia nas várias regiões do Brasil e quais seriam as fontes de energia alternativas para estas regiões.

Questão Desafio 1 - O chuveiro da figura abaixo apresenta três temperaturas que estão indicadas no chuveiro como: quente, morno e muito quente. Quais as ligações que seriam realizadas entre os terminais dos resistores para obter essas temperaturas?

Resposta: Entre B e C – muito quente (resistência menor) Entre A e C – quente (resistência média) Entre A e B – morno (resistência maior)



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Informações Adicionais

01: Intensidade da corrente elétrica Intensidade da corrente elétrica (i) é definida como a quantidade de carga (∆Q) que passa por uma seção transversal do fio por unidade de tempo (∆t) (figura 14), ou seja:

No sistema internacional (SI) a unidade da corrente elétrica é o ampère (A), definido como: 1 ampère (1 A) = 1 coulomb / 1 segundo. A unidade foi denominada ampère em homenagem ao físico francês André–Marie Ampère (1775–1836), que foi um dos criadores do eletromagnetismo.

Biologia: Discutir as fontes alternativas de energia elétrica e as conseqüências para o meio ambiente (Poluição, efeito estufa, alergias, etc). Matemática: Discutir as funções envolvidas nos cálculos dos circuitos e no valor total da conta de energia e questionar as possíveis formas para economizar energia e diminuir o valor da conta (discussão sobre consumo de energia).



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02: Diferença de potencial ou tensão elétrica

O campo elétrico realiza trabalho ao transportar carga entre dois pontos A e B do circuito. Se a carga Q for transportada entre os pontos A e B e receber a energia T, dizemos que entre os pontos A e B existe uma diferença de potencial VA – VB, ou tensão, UAB, dada por:

No SI a unidade de tensão elétrica é o volt (V), definido por: 1 volt (1 V) = 1 joule / 1 coulomb (1J / 1C) 03: Resistência elétrica A resistência elétrica (R) decorre de colisões dos elétrons com outros elétrons e com os átomos do material através do qual a corrente elétrica circula. Em um bom condutor, como é o caso do cobre, há pouca resistência à passagem da corrente elétrica, e em um mau condutor, caso do concreto, há bastante resistência à passagem da corrente. Verifica–se experimentalmente que a resistência de um fio condutor é diretamente proporcional ao comprimento do fio e inversamente proporcional à área da seção reta transversal do fio. A constante de proporcionalidade é denominada resistividade do material (ρ), ou seja:

Nessa equação, ρ é a resistividade e é característica do material utilizado. O seu valor varia com a temperatura e, conseqüentemente a resistência também. 04: Lei de Ohm George Simon Ohm, um físico e matemático alemão, descobriu que a tensão elétrica para condutores metálicos varia linearmente com a corrente, ou seja, que a razão entre a tensão e a corrente elétrica é constante. Essa constante é denominada resistência (R) do condutor. Isto é:



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Quando um material satisfaz essas relações dizemos que é um condutor ôhmico, quando não satisfaz é um condutor não ôhmico. Na figura 15 vemos o comportamento da tensão em função da corrente para estes dois casos. Para o condutor ôhmico a linha deste gráfico é sempre uma reta. Qualquer outra curva identifica um condutor não ôhmico. 05: Potência elétrica

O trabalho realizado pela força elétrica para transportar uma quantidade de carga elétrica, ∆Q, entre dois pontos A e B de um circuito (figura 16) é:

Sendo VA e VB os potenciais em A e B.



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A potência elétrica P é o trabalho realizado pela força elétrica, que corresponde à energia elétrica, por unidade de tempo. Notação: P potência

Substituindo 1.5 em 1.6:

Como a corrente elétrica i = Q / ∆t, e a diferença de potencial ou tensão UAB = VA – VB, substituindo em 1.7, tem–se:

Pela Lei de Ohm, tem–se que:

Substituindo em (1.8):

Pode–se expressar a potência também em função de U e R, substituindo i= U/R em 1.9:

Unidade de potência SI

U (P) = U(R)/U(t) = 1 joule/segundo = 1 watt (1W) Para medir a energia elétrica T consumida em um aparelho, precisa–se saber a potência elétrica do aparelho e o tempo que o aparelho fica ligado (T = P x ∆t).

Uma unidade de energia muito usada, inclusive nas contas domiciliares de energia elétrica, é o quilowatt–hora (kWh). O que é o kWh? É a energia fornecida a um aparelho com a potência de 1 kW durante 1 hora.



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06: Efeito Joule James Prescott Joule (1818/1889) Em 1850, na Inglaterra, James Prescott Joule, estabeleceu a equivalência entre as quantidades de calor e de trabalho mecânico. Nas medidas realizadas por Joule, ele obteve que para gerar uma quantidade de calor igual a uma caloria, é necessário realizar um trabalho de 4,186 J. Esta relação não é válida somente para trabalho mecânico; ela é também válida para outras formas de trabalho, tal como trabalho realizado

pela força elétrica. O secador de cabelos, o chuveiro, a lâmpada elétrica, o ferro elétrico, entre outros, funcionam devido à transformação da energia elétrica em energia térmica (calor) e/ou eletromagnética (luz) em conseqüência da passagem da corrente elétrica. Textos de referência

• H. Maceti; C. L. Levada; I. J. Lautenschleguer, Ciência e cotidiano: A Física do chuveiro elétrico. SCIENTIA PLENA VOL. 3, NUM. 8 2007, p 313. http://www.scientiaplena.org.br – acessado abril de 2008

• GASPAR, A. Física. Série Brasil Volume Único. São Paulo; Editora Ática, 2004

• ALVARENGA B. & MÁXIMO, A. Física Volume Único – São Paulo: Editora Scipione, 2002

• Gref – Grupo de reelaboração do Ensino de Física – Fisica 3 – Eletromagnetismo. EDUSP, 1993

Créditos

Projeto Acessa Física

Instituição Executora IBTF - Instituto Brasileiro de Educação e

Tecnologia de Formação a Distância

Coordenadores de Conteúdo Prof. Dietrich Schiel

Prof. Yvonne Primerano Mascarenhas

Coordenador Pedagógico Hamilton Silva

Autores, Co-autores e Prof. Antonio Carlos de Castro



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Prof. Carolina Rodrigues de Souza Miranda

Prof. Iria Muller Guerrini

Prof. Marco Aurélio Pilleggi

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