Efeito Joule

O efeito Joule é um fenômeno físico no qual a passagem de corrente elétrica através de algum meio resulta em seu aquecimento. Esse aquecimento surge em razão das diversas colisões que ocorrem entre os elétrons e os átomos que constituem a estrutura cristalina do material.

Para que haja dissipação de energia pelo efeito Joule, é necessário que o meio que é atravessado pela corrente elétrica apresente alguma resistência elétrica, que é a capacidade que o material tem de se opor à corrente elétrica. A resistência elétrica, portanto, define quanto calor será produzido enquanto o corpo estiver sendo atravessado por um fluxo de elétrons.

Para fazermos os cálculos do efeito Joule, devemos levar em conta somente os corpos que apresentem resistências ôhmicas, uma vez que sua resistência elétrica é aproximadamente constante, em acordo com o que é estabelecido pela 1ª lei de Ohm.

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Utilidades do efeito Joule

Diversos aparelhos eletroeletrônicos fazem uso do efeito Joule para produzir calor, confira alguns exemplos:

• Chuveiro elétrico

• Aquecedores

• Churrasqueira elétrica

• Ferro de passar roupa

• Secador de cabelos

• Chapinha

• Torradeira

• Lâmpadas incandescentes

Apesar de desempenharem funções diferentes, todos os dispositivos listados acima apresentam algo em comum: são dotados de uma resistência que, se percorrida por uma corrente elétrica, produz grandes quantidades de calor.

A grelha acima está emitindo calor em razão da corrente elétrica que percorre a sua resistência.

Como o efeito Joule está relacionado à quantidade de energia que é dissipada por uma resistência elétrica, a unidade de medida dessa grandeza é o Joule (J), de acordo com o Sistema Internacional de Unidades, mas também é comum que se utilize a unidade de caloria (cal), em alguns contextos.

Veja também: Segunda lei de Ohm

Fórmulas do efeito Joule

Vamos conferir quais são as principais fórmulas utilizadas para o estudo do efeito Joule. A primeira delas, chamada lei de Joule, permite calcularmos a quantidade de calor que é dissipada, observe:

Q – calor (J)

i – corrente elétrica

R – resistência elétrica (Ω)

t – intervalo de tempo (s)

A análise da fórmula acima nos indica que:

• A quantidade de calor dissipada pelo efeito Joule é proporcional ao quadrado da corrente elétrica que atravessa o corpo, portanto, dobrando-se o módulo da corrente elétrica, a quantidade de calor dissipado será quatro vezes maior, por exemplo.

• A quantidade de calor dissipado é diretamente proporcional à resistência elétrica, portanto, quanto maior for a resistência elétrica de um corpo, maior será a quantidade de calor que ele produzirá ao conduzir eletricidade.

• O tempo que uma corrente permanece a atravessar o corpo é diretamente proporcional à quantidade de calor dissipado.

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Existem outras variações que podem ser utilizadas como uma opção para a fórmula mostrada anteriormente, para isso é necessário nos lembrarmos da primeira lei de Ohm:

U – tensão elétrica (V)

Ao usar a fórmula acima, será possível descobrir módulos de outras grandezas, a fim de substitui-los na fórmula do efeito Joule.

Experiência sobre efeito Joule

Há um experimento muito interessante que nos permite observar a dissipação de calor em razão do efeito Joule. Esse experimento apresenta um baixo custo e pode ser facilmente realizado com a supervisão de um adulto.

Para fazer esse experimento serão necessários:

• 1 esponja de aço

• 1 bateria de 9 V

• 2 pedaços de fios de cobre

• 1 fita isolante

Atenção! Para prosseguir esteja acompanhado de um adulto.

• Separe um pedaço da esponja de aço e abra-o em cima de uma superfície de vidro ou metal;

• Conecte um pedaço de fio a cada um dos polos da bateria e, em seguida, isole-os com a fita;

• Garanta que não haja quaisquer materiais inflamáveis por perto, como papel ou líquidos voláteis, como o álcool;

• Toque os fios à esponja de aço e observe-a queimar em razão da passagem de corrente elétrica;

O experimento permite evidenciar o aquecimento de um material em razão da passagem de corrente elétrica.

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Riscos do efeito Joule

O efeito Joule pode apresentar alguns riscos a circuitos elétricos e também à segurança. Quando ocorre a oxidação dos materiais condutores, por exemplo, a sua resistência elétrica aumenta grandemente, por isso, esses materiais tendem a dissipar maiores quantidades de calor, o que pode causar incêndios, por exemplo.

Nos curto-circuitos, ocorre a formação de um grande pico de corrente elétrica, por isso, fios elétricos e outros componentes podem derreter e gerar faíscas, podendo causar incêndios e queimaduras.

Além disso, a pele humana é altamente resistiva, ou seja, apresenta uma resistência elétrica muito alta, cerca de 80.000 Ω a 100.000 Ω quando seca. Por isso, ao entramos em contato com grandes correntes elétricas estamos sujeitos a, entre outras coisas, queimaduras profundas e de grande extensão.

Alguns dispositivos que usam o efeito Joule, como o ferro de passar roupa, podem ser perigosos.

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Exercícios resolvidos

Questão 1) Assinale a alternativa INCORRETA com relação ao efeito Joule.

a) O efeito Joule é utilizado para gerar calor em chuveiros, churrasqueiras elétricas etc.

b) O efeito Joule ocorre em razão da passagem de corrente por algum corpo que apresente uma resistência elétrica.

c) A quantidade de calor dissipada pelo efeito Joule é inversamente proporcional à resistência elétrica.

d) Quando um fio condutor é atravessado por correntes muito altas é possível que ele aqueça-se em razão do efeito Joule.

Gabarito: Letra C

Resolução:

Letra C, pois a quantidade de calor dissipada pelo efeito Joule é proporcional ao quadrado da corrente elétrica, portanto, essa é a alternativa incorreta.

Questão 2) O efeito Joule é um fenômeno eletrodinâmico que acontece em razão

a) do aquecimento do condutor.

b) da carga elétrica.

c) do campo elétrico.

d) da colisão entre elétrons e átomos.

e) da diferença de potencial.

Gabarito: Letra D

Resolução:

A causa do efeito Joule é a colisão sofrida entre elétrons e os átomos da rede cristalina do material, portanto, a alternativa correta é a letra D.

Questão 3) Em um fio com resistência ôhmica de 0,5 Ω, é estabelecida uma corrente elétrica de 0,5 A, durante um intervalo de tempo de 1 minuto. Assinale a alternativa que apresenta a quantidade de calor dissipado pelo fio, em Joules.

a) 7,5 J

b) 15,0 J

c) 22,5 J

d) 50,0 J

e) 175 J

Gabarito: Letra A

Resolução:

Para calcularmos o que se pede, devemos utilizar a fórmula da lei de Joule e substituirmos os dados, observe:

Perceba que foi necessário transformar o tempo, que estava em minutos, em segundos.