Lei de Joule
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A lei de Joule (também conhecida como efeito Joule ou efeito térmico) é uma lei física que expressa a relação entre o calor gerado e a corrente elétrica que percorre um condutor em determinado tempo. Um resistor é um dispositivo que transforma a energia elétrica integralmente em calor.[1][2] O nome é devido a James Prescott Joule (1818-1889) que estudou o fenômeno em 1840 e, um ano mais tarde, publicada na Philosophical Magazine, pela Royal Society.[3]
Definição
[editar | editar código-fonte]Ela pode ser expressa por:[1]
onde:
- Q é o calor gerado por uma corrente elétrica 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 intervalo de tempo em que a corrente elétrica percorreu ao condutor.
Se a corrente não for constante em relação ao tempo:
Termodinâmica
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Quando uma corrente elétrica atravessa um material condutor, há produção de calor. Essa produção de calor é devida ao trabalho realizado para transportar as cargas através do material em determinado tempo.
Unidade joule
[editar | editar código-fonte]A lei de Joule está relacionada com a definição de joule onde:
- Um joule é o trabalho realizado para transportar um coulomb (unidade de medida da carga elétrica) de um ponto para outro, estando os dois pontos a uma diferença de potencial de um volt (unidade de medida da diferença de potencial);
- O trabalho é dado por:
Onde:
- W é o trabalho elétrico (em joule).;
- Q é a carga (em coulomb);
- U é a diferença de potencial (em volt).
Teoria cinética
[editar | editar código-fonte]A nível molecular o aquecimento acontece por causa da colisão dos elétrons com os átomos do condutor, em que o momento é transferido ao átomo, aumentando a sua energia cinética (ver calor).
Podemos dizer, portanto, que, quando o elétron colide com os átomos, fazem com que os núcleos vibrem com maior intensidade. O grau de agitação molecular é chamado de temperatura, ou seja, quando os elétrons colidem, aumentam a energia cinética dos átomos, sua temperatura.
Efeito de Joule
[editar | editar código-fonte]A passagem da corrente elétrica num condutor provoca o aumento de temperatura liberando calor.[4] A energia elétrica que se transforma em energia calorífica num receptor ou condutor, é diretamente proporcional à resistência elétrica, ao quadrado da intensidade da corrente que o percorre e ao tempo de passagem da corrente. Esta lei é traduzida matematicamente pela seguinte expressão:[4]
Em que:
- W - é o trabalho ou a energia dissipada por efeito joule (em joules);
- R - é a resistência elétrica (em ohms);
- I - é a intensidade de corrente que percorre o receptor ou condutor (em ampères);
- t - o tempo de passagem da mesma corrente (em segundos).
Vantagens e inconvenientes
[editar | editar código-fonte]Vantagens
[editar | editar código-fonte]A corrente elétrica ao atravessar um condutor, provoca nele um aumento de temperatura. Este efeito é aproveitado em ferros de passar, aquecedores, soldadores elétricos, secador de mãos, fogões, fornos, iluminação, proteção de instalações elétricas (fusíveis e disjuntores), etc.[4]
Inconvenientes
[editar | editar código-fonte]Em grande parte de aplicações da energia elétrica, a produção de calor correspondente a perdas e em algumas situações pode originar danos mais ou menos graves, nomeadamente quando se verifica um curto-circuito ou maus contatos. Daí há necessidade de utilizar condutores devidamente calibrados para a corrente que vão suportar, bem como prever as proteções e isolamentos convenientes.[5]
Potência dissipada
[editar | editar código-fonte]Nos resistores elétricos pode-se calcular a potência dissipada utilizando a Lei de Joule:
Aplicações
[editar | editar código-fonte]- Nas diferentes tensões no transporte da energia elétrica.
É, principalmente, por causa do efeito Joule que a energia elétrica é transportada em longas distâncias em tensões mais altas, normalmente 13 800 V das subestações até os transformadores de rua (distribuição) ou 138 000 V entre subestações (transmissão), podendo admitir também valores superiores ou distintos a depender das distâncias a percorrer das linhas de transmissão ou distribuição. O fornecimento padrão urbano é de 220 V bifásico ou trifásico ou de 127 V monofásico; também sendo possível o fornecimento por parte da concessionária de outros valores de tensão de acordo com o tipo de consumidor (127 V - 220 V - 380 V - 440 V - 760 V - 4 160 V - 13 800 V... etc.). Já em zonas rurais a distribuição normalmente se dá por redes monofásicas de alta tensão. A maior tensão permite que a corrente seja menor (para uma mesma potência , ) e assim menos energia desperdiçada no efeito Joule (o outro motivo é o uso de cabos mais finos em secção reta com a economia do material condutor e estrutura de sustentação).
- Em aquecedores, lâmpadas e fusíveis é a lei de joule (juntamente com outras de transferência de calor) que permite calcular as dimensões adequadas para o correto funcionamento destes dispositivos.
- O efeito Joule é o princípio da soldagem por resistência, que aquece um ponto entre duas chapas até o ponto de fusão dos metais através de uma corrente elétrica.
Ver também
[editar | editar código-fonte]- ↑ a b Cavalcante, Kleber G. «Lei de Joule». Terra. Mundo Educação. Consultado em 11 de outubro de 2013
- ↑ Passos, Júlio César (setembro de 2009). «Os experimentos de Joule e a primeira lei da termodinâmica». Revista Brasileira de Ensino de Física. 31: 3603–1-3603.8. ISSN 1806-1117, 1806-9126 1806-1117, 1806-1117, 1806-9126 Verifique |issn= (ajuda). doi:10.1590/S1806-11172009000300013. Consultado em 16 de junho de 2021
- ↑ Vaz Guedes, Manuel. «A Lei de Joule» (PDF). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Consultado em 11 de outubro de 2013
- ↑ a b c Roldan, J. «Efeito Joule». Eletricidade Eletrônica. Lisboa: Plátano Editora
- ↑ Matias, J.V.C. Tecnologias de Eletricidade. 10° Ano. Lisboa: Didática Editora