Efeito Joule

Corrente, tensão e resistência

Um circuito elétrico tem uma fonte (pilha ou tomada) e recetores (lâmpadas, resistências de aquecimento…). Três grandezas descrevem o que lá se passa:

• intensidade da corrente elétrica, $I$, mede-se em ampere (A) com um amperímetro, ligado em série;

• diferença de potencial elétrico (ddp ou tensão), $U$, mede-se em volt (V) com um voltímetro, ligado em paralelo com o componente;

• resistência elétrica, $R$, mede-se em ohm ($\Omega$) e indica a «dificuldade» que o componente oferece à passagem da corrente.

Para muitos componentes, chamados condutores óhmicos, vale a lei de Ohm:

Quanto maior for $R$, menor é a corrente para a mesma tensão. É por isso que uma resistência de $46\ \Omega$ ligada a $230\ \text{V}$ deixa passar $5\ \text{A}$.

Associação de recetores

Quando há mais do que um recetor, podem ligar-se em série ou em paralelo.

• Em série: a corrente é a mesma em todos os recetores, $I = I_1 = I_2$, e a tensão da fonte reparte-se por eles, $U = U_1 + U_2$. A resistência total é $R = R_1 + R_2$.

• Em paralelo: a tensão é a mesma em todos os recetores, $U = U_1 = U_2$, e a corrente total reparte-se por eles, $I = I_1 + I_2$. A resistência total é menor do que a de cada recetor.

É assim que os aparelhos de uma casa estão ligados: em paralelo, cada um a $230\ \text{V}$.

Potência elétrica e efeito Joule

Num recetor, a energia elétrica transferida por unidade de tempo é a potência elétrica:

Num condutor metálico, os eletrões em movimento chocam com os iões da rede e transferem-lhes energia: o condutor aquece. Chama-se efeito Joule a este processo, em que a energia elétrica se transforma em energia interna do condutor, sendo depois transferida como calor para o ambiente.

Num condutor óhmico, substituindo $U = R\cdot I$ em $P = U \cdot I$:

Repara: $P$ não é proporcional a $I$, mas a $I^2$. Se a corrente duplica, a potência dissipada fica quatro vezes maior; se triplica, fica nove vezes maior.

Disjuntores e fusíveis

Numa casa, vários aparelhos ligam-se em paralelo à mesma tensão ($230\ \text{V}$). Quantos mais aparelhos estão ligados, maior é a corrente total no fio do circuito, pois somam-se as correntes de cada um. Mas esse fio também tem resistência: se a corrente for excessiva, o efeito Joule aquece-o perigosamente e pode provocar um incêndio.

Para evitar isso usam-se dispositivos de proteção:

• o disjuntor abre o circuito quando a corrente ultrapassa o valor nominal (por exemplo $16\ \text{A}$) e pode ser rearmado;

• o fusível, usado em instalações mais antigas, é um fio fino que funde por efeito Joule quando a corrente é excessiva, interrompendo o circuito; depois tem de ser substituído.

A potência máxima num circuito protegido é $P_{\text{máx}} = U \cdot I_{\text{máx}}$.

Lâmpadas: energia útil e energia dissipada

Numa lâmpada de filamento, a maior parte da energia elétrica é dissipada por efeito Joule como calor; só uma pequena parte sai como luz. Por isso estas lâmpadas queimam os dedos. Uma lâmpada LED produz a mesma luz com muito menos energia elétrica e aquece pouco.

Em resumo

• Lei de Ohm (condutores óhmicos): $U = R\cdot I$.

• Potência elétrica: $P = U\cdot I$; energia: $E = P\cdot\Delta t$ (em joule, com $\Delta t$ em segundos).

• Efeito Joule: a energia elétrica transforma-se em energia interna do condutor. $P = R\cdot I^2 = U^2/R$.

• $P \propto I^2$: duplicar a corrente quadruplica a potência dissipada.

• Disjuntores e fusíveis limitam a corrente: $P_{\text{máx}} = U\cdot I_{\text{máx}}$.

• De volta ao início: os aparelhos aquecem porque a corrente dissipa energia por efeito Joule, e o disjuntor dispara quando a soma das potências excede $U \cdot I_{\text{máx}}$.