Lei de Joule

Quando um condutor é aquecido ao ser percorrido por uma corrente elétrica, ocorre a 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, consequentemente sua temperatura. Assim, a energia elétrica é transformada em energia térmica (calor).

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O resistor e o Efeito Joule

O resistor é um dispositivo cujas principais funções são: dificultar a passagem da corrente elétrica e transformar energia elétrica em energia térmica por Efeito Joule. Entendemos a dificuldade que o resistor apresenta à passagem da corrente elétrica como sendo resistência elétrica. O material mais comum na fabricação do resistor é o carbono.

Na grande maioria dos casos observamos a seguinte representação gráfica do resistor:

Calculo da resistência elétrica

Para o resistor é válida a expressão para cálculo da resistência elétrica:

R = U/i

que relaciona a resistência oferecida à passagem da corrente elétrica com tensão e corrente elétrica. Devemos lembrar que a unidade da resistência elétrica é o ohm (Ω) derivada do volt/ampère.

Potência elétrica

Na física, potência pode ser definida como a quantidade de energia liberada em certo intervalo de tempo, ou seja, quanto maior a energia liberada em um menor intervalo de tempo maior será a potência.

Logo, potência pode ser definida como energia por tempo, e, potencia elétrica é energia elétrica por tempo:

P = Eel/Δt

Substituindo Eel por Δq.U, temos:

P = Δq.U / Δt

Mas, sabemos que Δq/Δt define outra grandeza física, a corrente elétrica i= Δq/Δt, sendo assim:

P = U. i

Lei de Joule

Agora que entendendo estes conceitos acima podemos falar da lei de Joule.

Como vimos, o resistor transforma a energia elétrica em energia térmica, ou seja, a potência elétrica consumida por um resistor é dissipada. Essa potência é dada por P = U . i

Pela lei de Ohm (U=R.i), tem-se P = (R.i) . i

logo: P = R.i2

A energia elétrica transformada em energia térmica ao fim de um intervalo de tempo ∆t é dada por:

Eel = P . ∆t

Agora, substituindo a potencia por R.i2 temos a equação que representa a lei de Joule

Eel = R . i2 . ∆t

Enunciado da Lei de Joule

A energia elétrica dissipada num resistor, num dado intervalo de tempo ∆t, é diretamente proporcional ao quadrado da intensidade de corrente elétrica que o percorre.

A Potência e a lei de Joule

Sendo i = U/R, a potência elétrica dissipada pode, também, ser dada por:

P = U2/R

Quando a ddp é constante, a potência elétrica dissipada num resistor é inversamente proporcional à sua resistência elétrica.

Calculando a Resistência com base na potência

Podemos calcular a resistência elétrica de um resistor através da equação da potência apenas isolando esta incógnita.

R = P/i2
R = P/U2

As unidades de medidas de Energia e Potência

Potencia elétrica é medida em Watts que corresponde à energia (Joule) por tempo (segundos).

W = J/s

Entendendo esta relação podemos dizer que a energia (Joule) é igual a Potencia (Watts) multiplicada pelo tempo (segundos).

J = W.s

Aplicações da lei de Joule: chuveiro elétrico

Dentro do aparelho existe um resistor que está conectado a rede de energia. Quando abrimos a torneira, a água vai se acumulando dentro do chuveiro e, quando esta chega a certo nível, ela empurra um diafragma que serve como “chave” do chuveiro. O diafragma fecha a conexão entre o resistor e a rede de energia elétrica fazendo com que a corrente elétrica atravesse o resistor e o aqueça por efeito joule.

Para conhecer e entender outros aparelhos que funcionam utilizando a lei de Joule leia nossos textos sobre aplicações do Efeito Joule na sessão Como funciona.

Exercício sobre lei de Joule

(Unipac-MG) Leia as duas informações a seguir:

I. Na construção de linhas de transmissão elétrica, os engenheiros procuram evitar o máximo possível à perda de energia por efeito Joule.

II. Apesar dos brasileiros viverem numa zona tropical, muitos gostam de tomar banho quente.

Assim, para cumprir com as exigências técnicas das linhas de transmissão, os engenheiros estabelecem nestas mesmas linhas uma ________ corrente elétrica e uma _________ voltagem (tensão). Já para agradar aos brasileiros que gostam de banhos mais quentes, deveríamos ________ a resistência elétrica do chuveiro.

A opção que completa corretamente as lacunas do texto, na ordem em que aparecem, é:

a) baixa, alta, aumentar
b) baixa, baixa, diminuir
c) alta, alta, aumentar
d) alta, baixa, aumentar
e) baixa, alta, diminuir

Resposta

Procura-se transmitir energia elétrica utilizando alta tensão e baixa corrente, de modo que a potência dissipada (P = R . i2) seja pequena.

Analisando a potência em relação a tensão elétrica e resistência elétrica, temos:

P = U2/R

Podemos concluir que diminuindo a resistência elétrica do chuveiro, obtemos uma maior potência, logo, aquecerá mais.

A resposta do exercício então é a alternativa e.

Estude outros exercícios na nossa página de exercícios resolvidos de física.