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leituras de
física
GREF
versão
 preliminar
ELETROMAGNETISMO
para ler, fazer e pensar
1 a 6
1. Onde não está a eletricidade?
2. Pondo ordem dentro e fora de casa
3. Elementos dos circuitos elétricos
4. Cuidado! É 110 ou 220?
5. A conta de luz
6. Exercícios
Leituras de Física é uma publicação do
GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física
Instituto de Física da USP
EQUIPE DE ELABORAÇÃO DAS LEITURAS DE FÍSICA
Anna Cecília Copelli
Carlos Toscano
Dorival Rodrigues Teixeira
Isilda Sampaio Silva
Jairo Alves Pereira
João Martins
Luís Carlos de Menezes (coordenador)
Luís Paulo de Carvalho Piassi
Suely Baldin Pelaes
Wilton da Silva Dias
Yassuko Hosoume (coordenadora)
ILUSTRAÇÕES:
Fernando Chuí de Menezes
Mário Kano
GREF - Instituto de Física da USP
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junho de 1998
1
1
Onde não está a
Eletricidade?
A figura a seguir você provavelmente já observou
nos volumes anteriores desta coleção. Agora,
entretanto, o jogo é diferente. Você vai analisá-la e
responder a questão proposta ao lado.
Você vai elaborar, em
conjunto com seus colegas
de classe, uma lista de
coisas que farão parte do
programa desse curso
2
1 Onde não está a Eletricidade?
Leia o texto a seguir, escrito pelo poeta e escritor Carlos
Drummond de Andrade e responda às questões.
Carta a
uma senhora
Falei de cozinha, estive quase te escolhendo o grill
automático de 6 utilidades porta de vidro refratário e
completo controle visual, só não comprei-o porque diz
que esses negócios eletrodomésticos dão prazer uma
semana, chateação o resto do mês, depois enconsta-se
eles no armário da copa.
A garotinha fez esta redação no ginásio:
"Mamy, hoje é dia das Mães e eu desejo-lhe
milhões de felicidades e tudo mais que a Sra. sabe. Sendo
hoje o dia das Mães, data sublime conforme a professora
explicou o sacrifício de ser Mãe que a gente não está na
idade de entender mas um dia entenderemos, resolvi
lhe oferecer um presente bem bacaninha e fui ver as
vitrinas e li as revistas.
Pensei em dar à Sra. o radiofono Hi-Fi de som
estereofônico e caixa acústica de 2 alto-falantes
amplificador e transformador mas fiquei na dúvida se não
era preferível uma tv legal de cinescópio multirreacionário
som frontal, antena telescópica embutida, mas o nosso
apartamento é um ovo de tico-tico, talvez a Sra. adorasse
o transistor de 3 faixas de ondas e 4 pilhas de lanterna
bem simplesinho, levava para a cozinha e se divertia
enquanto faz comida. Mas a Sra. se queixa tanto do
barulho e dor de cabeça, desisti desse projeto musical, é
uma pena, enfim trata-se de um modesto sacrifício de
sua filhinha em intenção da melhor Mãe do Brasil.
Como a gente não tem armário da copa, me lembrei de
dar um, serve de copa, despensa e bar, chapeado de aço
tecnicamente subdesenvolvido. Tinha também um
conjunto para cozinha de pintura porcelanizada fecho
magnético ultra-silencioso puxador de alumínio
anodizado, um amoreco. Fiquei na dúvida e depois tem
o refrigerador de 17 pés cúbicos integralmente utilizáveis,
congelador cabendo um leitão ou peru inteiro, esse eu
vi que não cabe lá em casa, sai dessa!
Me virei para a máquina de lavar roupa sistema
de tambor rotativo mas a Sra. podia ficar ofendida deu
querer acabar com a sua roupa lavada no tanque, alvinha
que nem pomba branca, Mamy esfrega e bate com tanto
capricho enquanto eu estou no cinema ou tomo sorvete
com a turma. Quase entrei na loja para comprar o
aparelho de ar condicionado de 3 capacidades, nosso
apartamentinho de fundo embaixo do terraço é um forno,
mas a Sra. vive espirrando, o melhor é não inventar moda.
Mamy, o braço dói de escrever e tinha um
liquidificador de 3 velocidades, sempre quis que a Sra.
não tomasse trabalho de espremer a laranja, a máquina
de tricô faz 500 pontos, a Sra. sozinha faz muito mais.
Um secador de cabelo para Mamy! gritei, com capacete
plástico mas passei adiante, a Sra. não é desses luxos, e
a poltrona anatômica me tentou, é um estouro, mas eu
sabia que minha Mãezinha nunca tem tempo de sentar.
Mais o que? Ah sim, o colar de pérolas acetinadas, caixa
de talco de plástico perolado, par de meias, etc. Acabei
achando tudo meio chato, tanta coisa para uma garotinha
só comprar e uma pessoa só usar, mesmo sendo a Mãe
mais bonita e merecedora do Universo. E depois, Mamy,
eu não tinha nem 20 cruzeiros, eu pensava na véspera
deste Dia a gente recebesse não sei como uma carteira
cheia de notas amarelas, não recebi nada e te ofereço
este beijo bem beijado e carinhosão de tua filhinha Isabel".
3
questões
oba
1. Quantos presentes Isabel
 pensou em dar para sua Mamy?
2. Quais eram e quais não eram
elétricos?
Para finalizar essa introdução ao estudo da Eletricidade
você vai fazer uma lista dos aparelhos, instrumentos,
componentes elétricos e eletrônicos que usa ou conhece
em casa, no trabalho ou no lazer. Essa lista será o ponto
de partida para a sua próxima aula.
Esquentar água, iluminar os ambientes internos de uma
residência, escritório, providenciar uma torrada para o
café da manhã, falar ao telefone, aspirar o pó, encerar o
chão, fazer as contas para ver se o dinheiro vai dar para
pagar as contas, assistir a um filme em video, ou a um
jogo esportivo ao vivo, ouvir música, acordar ao som
das notícias do dia, enviar um fax, receber recados
gravados numa secretária elétrônica, enviar mensagens
através de uma rede de computadores,..., são exemplos
de atividades que fazemos hoje com a ajuda da
Eletricidade.
Não é à toa que nos momentos em que o fornecimento
da Eletricidade é interrompido, a nossa vida sofre uma
grande alteração: ficamos de certo modo desamparados
quando estamos em nossa casa, a alegria é geral quando
há dispensa das aulas na escola, o metrô e os trens
urbanos não funcionam, os semáforos apagam, etc.
A enciclopédia Mirador, apresenta para a palavra
Eletricidade a seguinte conceituação:
1 Conceito . São fenômenos elétricos todos aqueles
que envolvem cargas elétricas em repouso ou em
movimento;as cargas em movimento são usualmente elétrons.
A importância da eletricidade advém essencialmente da
possibilidade de se transformar a energia da corrente elétrica
em outra forma de energia: mecânica, térmica, luminosa, etc.
ELETRICIDADE
Uma outra maneira de
percebermos a presença da
eletricidade em nosso dia-a-dia
consiste em fazer um levantamento
das atividades que você fez hoje,
desde o momento em que saiu da
cama. Anote a resposta no caderno.
A seguir assinale qual delas
dependeu da eletricidade para ser
realizada.
4
 Eletricidade na natureza:
relâmpago
Eletricidade no corpo humano:
impulsos elétricos
do olho para o cérebro
A visão é o sentido que domina a nossa
vida! Ela começa com a luz refletida pelo
objeto que estamos observando e que atinge o
nosso olho. Após atravessar várias substâncias
transparentes, é formada uma imagem invertida
do objeto numa região do olho chamada retina.
Ela é uma membrana transparente, cujo
formato é semelhante ao do fundo de uma concha.
Nas células da retina encontram-se substâncias
químicas que são sensíveis à luz. A incidência da
luz sobre tais substâncias produz impulsos elétricos
que são enviados para uma deteminada região do
cérebro através do nervo óptico.
Embora a imagem na retina seja invertida é
no cérebro que ela é colcada na posição normal.
objeto
imagem invertida
nervo óptico
cérebro
sensação
Os raios ou relâmpagos são descargas
elétricas naturais que são produzidas quando se
forma uma enorme tensão entre duas regiões da
atmosfera ( 100.000 vezes maior que a tensão 220
volt de sua residência para ligar o chuveiro). Nessas
condições, o ar não se comporta como um isolante
elétrico e o valor da corrente elétrica pode atingir
valores de até 200.000 ampères.
Em certos casos pode-se sobreviver a um
raio, desde que a corrente elétrica seja desviada
dos orgãos vitais para as partes superficiais do corpo
como a pele molhada de suor, a roupa molhada
pela chuva ou também pelo medo.
5
2
Pondo ordem dentro
e fora de casa
Você vai organizar as
"coisas" da eletricitridade
ao mesmo tempo que se
constrói um plano de curso
Será que é
possível
organizar isso
6
2 Pondo ordem dentro e fora de casa
Quando pensamos nas coisas que utilizamos dentro e
fora, no laser e no trabalho, ou mesmo nas coisas que
conhecemos mas que estão distantes de nós, a lista é
muito grande.
Se você pensou um pouco nisso quando foi solicitado
no final da aula , certamente apareceram coisas como a
exemplificadas na tabela 1.
tabela 1
Essa tabela é apenas uma amostra das coisas que você
pode ter pensado e que associamos à eletricidade, de
maneira mais imediata e direta.
Se pensarmos no processo de fabricação dessas coisas,
certamente a eletricidade também estará presente.
Olhando os aparelhos que compõem essa lista, cada um
tem uma especificidade própria, de acordo com o uso
que dele fazemos.
Mas se pensarmos no que eles produzem enquanto
funcionam, veremos que é possível acharmos mais
pontos em comum, pelo menos em alguns deles.Por
exemplo, alguns aparelhos que utilizamos em nosso dia-
a-dia têm como função comum a produção de
aquecimento.
Identifique na lista ao lado, qual ou daqueles aparelhos
têm esta função.
Além destes que você identificou na lista certamente
existem outros.
Todos eles tem em comum o fato de transformarem a
energia elétrica fornecedia por um fonte em energia
térmica.Esses aparelhos são os que tem a construção
mais simples: possuem um pedaço de fio em forma de
espiral cujo nome é resistor.
Quando um aparelho desse tipo é
posto para funcionar, o resistor é
aquecido. É por isso que tais aparelhos são denominados
de resistivos.
resistor
7
Se tivermos um olho mais atento no que os aparelhos
fazem quando são colocados em funcionamento,
notaremos que a grande parte deles produz algum tipo
de movimento, isto é, transformam a maior parte da
energia elétrica que recebem da fonte em energia
mecânica. Veja na listagem da página anterior quais deles
tem esta caractéristica. dentre os que você identificou,
existem, por exemplo, os ilustrados a sguir:
Tais aparelhos são denominados de motores elétricos.
Eles são utilizados para realizar inúmeros trabalhos: moer,
picar, lustrar, furar, cortar,ventilar, medir, etc.
Para funcionarem, os aparelhos elétricos precisam ser
"alimentados" energeticamente por uma fonte de energia
elétrica.No dia-a-dia fazemos uso de vários tipos de fontes
que você pode lembrar ou identificar na lista ao lado.
Existem algumas que hoje são menos usadas entre nós
como o dínamo de bicicleta. Outras como os alternadores
estão presentes nos automóveis, conforme estão
ilustradas a seguir.
Aparelhos com essa característica transformam outras
formas de energia (mecânica, química,..) em energia
elétrica e são denominados de fontes.
Nos dias de hoje, os aparelhos elétricos mais atrativos
estão ligados à comunicação ou à guarda de informação.
Consulte a listagem da página anterior e verfique se
existe algum com esta característica. Outros estão
ilustrados a seguir.
Estes como outros aparelhos elétricos são constituidos
de muitos componentes como fios, chaves, ímãs,
resistores, botões interruptores, diodos, transistores, etc.
Consulte novamente a listagem da página ao lado e
verifique se existe algum outro.
Em conjunto eles formam um agrupamento
Encontrando semelhanças nas funções desempenhadas
pelos aparelhos elétricos foi possível formar 4 grandes
grupos: os que produzem aquecimento ou movimento,
aqueles que são utilizados na comunicação e na guarda
de informação e aqueles que são as fontes de energia
elétrica, tornando capaz de colocar todos os demais em
funcionamento.
Tais aparelhos permitem a comunicação entre uma ou
mais pessoas, como o rádio, a tv, o telefone e o micro
computador ou a guarda de informações como as fitas
magnéticas e os disquetes e também o disco de vinil.
Eles fazem parte de um conjunto muito maior e, por
isso, podem formar um agrupamento chamado
elementos de comunicação e informação.
Esse conjunto forma um grupo denominado
componentes elétricos e eletrônicos.
8
Atividade experimental
faça você mesmo...
 2- Faça uma lista dos materiais acima identificados e classfique-os como condutores ou isolantes elétricos.
 1- Você realizará nesta atividade, um levantamento dos componentes e dispositivos elétricos residenciais, a
identificação das suas funções para a constatação de alguns parâmentros comuns aos aparelhos elétricos. Veja
o exemplo a seguir e siga em frente com outros componentes.
 nome do componente ou dispositivo materiais utilizados função que desempenha no circuito
 soquete porcelana e latão faz a ligação entre a lâmpada e
os fios de ligação
 fios de ligação
 interruptor
 plug
 tomada
.
.
9
3
Elementos dos
circuitos elétricos
Nessa aula você
vai reconhecer os
difentes tipos de circuitos e
os seus elementos principais
Ligar e desligar; abrir e
fechar; acender e apagar;
sintonizar; ... ,
Advinhe do que nós
estamos falando?
1
0
3 Elementos dos circuitos elétricos
Ao colocar um aparelho elétrico em funcionamento
estamos fechando um circuito elétrico. Este circuito é
contituido de aparelho elétrico; fonte de energia
elétrica, que pode estar situada próximo ou distante do
aparelho e fios de ligação que conectam adequadamente
um ao outro.
Para facilitar o manuseio, os circuitos elétricos contém
um elemento extremamente importante que é o
interruptor. Nos aparelhos elétricos o interruptor é o
botão liga-desliga. Já no circuito elétrico residencial
existem vários locais onde ele pode ser interrompido,
tais como: chaves, disjuntores, tomadas, plugues,
soquetes onde são rosqueadas as lâmpadas, dentre
outros.
A principal função dos fios de ligação em um circuito
elétrico é delimitar o local que servirá como um caminho
ou uma trilha através do qual a energia elétrica da fonte
chega até o aparelho elétrico e com isso, ser utilizada
por ele. Por exemplo, o fio de cobre utilizado na instalação
elétrica residencial inclui uma capa plástica. O metal,
nesse caso, é o caminho ou a trilha por onde a energia
elétrica da fonte vai chegar até os aparelhos e a capa
plástica que é um material isolante, delimita esse
caminho. Quando a energia da fonte está sendo utilizada
pelo aparelho, dizemos que o circuito está fechado e
que há uma corrente elétrica.
Se ligarmos uma lanterna e sua lâmpada acende, o seu
circuito elétrico, constituido de filamento da lâmpada e
seus pontos de contato, fios de ligação cujas
extremidades são conectadas aos dois terminais da pilha,
está fechado.
Desse modo, a energia química da pilha, transformada
em energia elétrica, é utilizada pela lâmpada.
O mesmo se dá quando acendemos uma lâmpada ou
ligamos um chuveiro, só que nestes casos, a fonte está
longe e é de uso coletivo: é a usina.
Ao discarmos para uma pessoa .com um telefone
comum, através do sistema.de fios, estamos tentando
fechar um circuito elétrico que envolve o aparelho da
pessoa que disca, uma ou mais centrais tefônicas e o
aparelho telefônico que está sendo chamado. Este
circuito, que é parte da rede elétrica tefefônica, é
constituido de fios de ligação e vários pontos de
interrupção.
Se o telefone da outra pessoa está fora do gancho, o
circuto elétrico não fecha e, por isso, a ligação não se
completa. O mesmo se dá quando o fone não é retirado
do gancho, isto é, toca e ninguém atende.
Mais recentemente, as ligações telefônicas também estão
sendo realizadas através de micro-computadores onde a
voz é substituida pela mensagem escrita na tela,
Nesta situação, se a ligação entre os microcomputadores
é feita através de fios condutores de eletricidade, vários
pontos de interrupção são encontrados ao longo desse
circuito e que durante a comunicação são acionados para
fechá-lo.
1
1
Quando ligamos o rádio, mesmo que nenhuma estação
esteja sintonizada, estamos fechando o seu circuito
elétrico interno que inclui entre muitas coisas, a fonte de
energia fios de ligação, o alto-falante. Ao sintonizarmos
uma estação, algo a mais acontece e está relacionado
com a antena do aparelho e a da estação. Que tipo de
coisa é essa, você vai estudar em detalhes nesse curso,
mais adiante. Agora, podemos adiantar que a antena da
estação comunica-se com a do aparelho de rádio sem
necessidade de fios.
Com a tv acontece algo semelhante quando sintonizamos
uma determinada estação. A diferença reside em que a
comunicação entre as antenas do aparelho e da estação
escolhida envolve além do som a imagem.Internamente,
o aparelho de tv contém vários circuitos elétricos que
envolvem diferentes materiais condutores de eletricidade.
Tais circuitos, estão conetados à mesma fonte de energia
elétrica que faz funcionar os demais aparelhos elétricos
que são ligados na rede elétrica residencial.
Mais recentemente temos encontrado cada vez mais os
chamados telefones celulares. Internamente, os circuitos
elétricos são alimentados por uma bateria mas a
comunicação entre eles dá-se por meio de antenas.
A comunicação entre microcomputadores também tem
sido possível não apenas através de circuitos com fios
mas também fazendo uso de antenas.Com o crescimento
das comunicações entre governos, instituições científicas,
bibliotecas, ..., dos mais diferentes locais do planeta, além
dos enventos que hoje têm transmissão para todas as
regiões ou boa parte delas, a utilização de antenas e
satélites artificiais tem sido cada vez mais presente.
1
2
Choque elétrico
Quando parte do nosso corpo fizer parte de um circuito
elétrico, é bem provável que tomaremos um choque
elétrico, se o circuito estiver fechado e dele fizer parte
uma fonte de energia elétrica. Nesse caso, nesse trecho
do nosso corpo, há também corrente elétrica e,
dependendo de dua intensidade, os efeitos podem ser
muito graves.
Um pedaço de nosso corpo que pode ser parte de um
circuito elétrico é a região formada pelo dedo polegar e
o dedo indicador, quando estamos mexendo num
aparelho ou mesmo numa parte da instalação. Outras
vezes o pedaço do nosso corpo que faz parte do circuito
elétrico envolve a mão e vai até o pé, conforme indica a
figura. Essa é a situação que corresponde ao choque
tomado quando vamos ligar ou desligar o chuveiro, por
exemplo.
condutor
corrente
Se o trecho do nosso corpo qu faz parte do circuito
elétrico envolve as duas mãos, o risco é maior que nas
situações anteriores. Isto porque a corrente elétrica passa
diretamente pelo coração. Dependendo de sua
intensidade, pode provocar até fibrilação ventricular, o
que pode levar à morte em poucos minutos.
Uma maneira de se evitar os choques elétricos é fazer a
ligação dos aparelhos à terra. O "fio terra" é feito
enterrando-se, no local da instalação, uma barra de cobre
em local úmido, para garantir alta condutividade elétrica
entre os condutores e a terra.
Conectado à barra, está um fio de cobre que segue junto
aos demais fios da intalação elétrica, formando, no caso
da tomada, o terceiro fio.
O fio terra também é utilizado para aterramento das
carcaças metálicas de chuveiros e outros aparelhos,
conforme ilustra a figura a seguir.
1
3
4
Cuidado!
É 110 ou 220 ?
 Aqui você vai aprender
um pouco de Eletricidade
com as informações das
"chapinhas" dos aparelhos
elétricos
4.pregador de botão 2 pilhas de 1,5 V
 llinha corrente
Todo aparelho elétrico tem um folheto com
instruções de uso e informações sobre as
condições de seu funcionamento.Muitas vezes,
elas também aparecem nas "chapinhas" fixadas nos
próprios aparelhos.
.
 ( escove os dentes após)
3. escovador de sapatos um pé por vez
 frequência de escovação
 20 hertz
2. palitador de dentes 3 dentes por vez - 0,5 W
Você vai escolher pelo menos 5 aparelhos elétricos de
sua casa e anotar todas as informações que estão nas
suas "chapinhas". Veja como fazer observando o exemplo
a seguir:
 aparelhos elétricos informações dos fabricantes
1. ventilador de bolso 60 voltas por minuto - cc
 15 watts
1
4
4 Cuidado! É 100 ou 220 ?
Com o levantamento das informações você deve ter
percebido que elas podem aparecer de diferentes
maneiras: existem números, letras, palavras e sinais. O
importante é saber que muitas vezes apesar de aparecer
de forma diferente trata-se da mesma informação. Por
exemplo: em alguns aparelhos vem escrito 110V; em
outros vem escrito voltagem 110V; já em outros essa
mesma informação aparece como tensão elétrica 110
volts.
aparelho informação do fabricante
 aspirador de pó 110 volts
 máquina de lavar roupa tensão elétrica 110V
lâmpada 110V
Veja que por simples comparação você pode saber que
se trata de várias informações a respeito de uma mesma
grandeza elétrica, que no caso é a tensão, o seu valor
numérico, que é 110; a sua unidade de medida que é
volt e o símbolo de sua unidade que é V.
Se você observar o conjunto das informações que
aparecem nos aparelhos perceberá que existem outras
grandezas elétricas, com outros valores, unidades de
medida e símbolos diferentes.
Que outras grandezas elétricas você identificou nas
informações dos fabricantes?
Para organizar as suas respostas você pode construir uma
tabela como a ilustrada a seguir:
nome da grandeza o valor e sua unidade o símbolo
1. tensão elétrica 110/220 volts V
2. ... .... ..
... .... ..
Através do levantamento das informações fornecidas
pelos fabricantes de aparelos elétricos e sua organização
em tabelas de acordo com o que você acabou de fazer,
foram identificadas algumas das principais grandezas
elétricas. Comentaremos algo sobre elas a partir de agora.
Tensão elétrica ou voltagem ( U )
Os aparelhos elétricos que são ligados na tomada ou à
rede elétrica da residência trazem escrito os valores de
110V ou 220V. Alguns aparelhos como os rádios, por
exemplo, permitem que se ajuste o aparelho à tensão
da rede elétrica da residência da cidade onde você mora
e que pode ser 110V ou 220V.
Outros aparelhos como a geladeira, a máquina de lavar,
o ferro de passar roupa, o liquidificador,..., não tem tal
botão que permite o ajuste da tensão. Eles funcionam
ou na tensão 110V ou na 220V.
No caso de um desses aparelhos ser ligado numa tensão
maior que a especificada pelo fabricante, ele queima
quase que imediatamente. Se ele for ligado a uma tensão
menor que a especificada, ou o aparelho não funciona
ou funciona precariamente.
3.
1
5
Potência ( P )
A potência é a grandeza elétrica que indica o consumo
de energia elétrica do aparelho em cada unidade de
tempo de seu funcionamento. Por exemplo, se uma
lâmpada tem potência de 100 watt, significa que em
cada segundo de funcionamento ela consome 100 joules
de energia elétrica.
A maioria dos aparelhos elétricos tem apenas um valor
de potência, mas existem alguns que trazem escrito mais
de um valor como por exemplo o chuveiro elétrico. Nesse
caso, ele tem geralmente um valor para a posição verão
e outro para o inverno. No verão, onde a água é menos
aquecida, o valor é menor. No inverno, onde a água é
mais aquecida, o valor da potência é maior e,
consequentemente, o consumo da energia elétrica é
também maior.
Corrente elétrica ( i )
A maioria dos aparelhos elétricos não traz essa informação
especificada. Ela, entretanto, está presente em todos os
aparelhos elétricos
quando eles estão em funcionamento.
A corrente elétrica é uma grandeza cujo valor depende
da potência do aparelho e também da tensão em que
ele é colocado para funcionar. Por exemplo, uma lâmpada
de 100 watt feita para funcionar na tensão 110 volts,
quando ligada requer maior corrente elétrica que uma
de potência
de 60 watt e de mesma tensão. É por essa razão que a
lâmpada de 100 watt apresenta luminosidade maior que
a de 60 watt.
Existem dois tipos de corrente elétrica: a corrente
contínua que é fornecida por pilhas e baterias e a corrente
alternada que é aquela fornecida pelas usinas para as
casas, indústrias, etc.
A corrente contínua tem valor que não se altera para um
mesmo aparelho e tem como símbolo nos folhetos ou
mesmo nas chapinhas dos aparelhos as letras "CC" ou
"DC".
A corrente alternada tem um valor que varia dentro de
um intervalo durante o funcionamento de um mesmo
aparelho elétrico. Ela tem como símbolos as letras "CA"
ou "AC" ou mesmo o sinal ~ .
Freqüência (f )
Embora a freqüência seja uma grandeza que comparece
na maioria dos aparelhos elétricos nos valores 50/60 e
na unidade hertz (Hz) ela não é usada somente na
eletricidade. Nesse caso, ela se refere a uma característica
da corrente elétrica alternada obtida com as usinas
geradoras de eletricidade. No Brasil, a freqüência da
corrente alternada é de 60 hertz, ou seja, 60 ciclos por
segundos. Há países como Portugal e o Paraguai onde a
freqüência é de 50 hertz.
1
6
esclarecendo ....
Antes que você pense que isso é tudo convém esclarecer
que a voltagem, a potência, a corrente e a freqüência
não são as únicas grandezas elétricas que existem. Mas
elas são as que mais aparecem quando investigamos as
informações fornecidas pelos fabricantes de aparelhos
elétricos.
Saiba que elas constituem um conjunto mínimo de
informações necessárias para a utilização adequada dos
aparelhos. Por isso é sempre recomendável ler as
instruções antes de ligar o aparelho que se acabou de
comprar.
Você pode estar se perguntando por que as unidades de
medida dessas grandezas tem nomes tão diferentes das
que você estudou até hoje: volt, watt, ampère e hertz.
Essas palavras são sobrenomes de cientistas que tiveram
uma contribuição importante no conhecimento dos
fenômenos da eletricidade. Veja na tabela a seguir
algumas informações sobre de onde elas surgiram:
 volt tensão elétrica Alessandro Volta
 nacionalidade época em que viveu unidade grandeza homenageado
 watt potência James P. Watt
 ampère corrente elétrica André M. Ampère
 hertz freqüência Heirinch R. Hertz
 italiano 1745 - 1827
 inglês 1818 - 1889
 francês 1775 - 1836
 alemão 1857 - 1894
 Responda rápido:
 1. No folheto de uma secadora, encontram as
 seguintes informações:
 a) quais as grandezas que aparecem ?
 b) quais seus valores e unidades?
 nomes de Nomes
1
7
5
A conta
de luz
Aqui será o local
em que vamos entender
as informações que
fazem parte da sua
"conta de luz"
Você é pai de família? Mãe de
família? Não! Que sorte!
Não diga que você é filhinho
ou filhinha de papai?
Nesse caso, quando chega em
sua casa a conta de luz, no
máximo, você a pega e
entrega rápido para outra
pessoa?
Quem põe a mão no bolso
para pagar a conta?
1
8
Toda vez que um aparelho elétrico entra em funcionamento,
ocorre uma transformação de energia elétrica em outras
formas de energia como luminosa, sonora, mecânica de
rotação, térmica, dentre outras.
Sem uma fonte de energia elétrica adequada e em
condições de funcionamento, os aparelhos de nada servem.
As pilhas, as baterias, os acumuladores (usualmente
chamados de baterias de automóveis e motos) e as usinas
são as fontes de energia elétrica mais utilizadas no nosso
dia-a-dia.
O acesso e a utilização de tais fontes, representa, para
nós, um custo a pagar, seja na hora da compra das pilhas e
baterias nos bares, mercados, relojoeiros,..., no auto-
elétrico, seja na hora de pagar a conta de energia elétrica,
comumente chamada de �conta de luz�.
A partir desse momento, passaremos a analisar do que se
compõe e como se calcula o custo da energia elétrica em
nossas casas, que é fornecida pelas usinas geradoras de
eletricidade através das companhias distribuidoras.
Observe o modelo de uma conta de luz e responda às
questões que vem a seguir.
 5 Conta de luz
1
9
Algumas companhias distribuidoras de eletricidade adotam
valores diferentes para certas faixas de kWh consumidos,
conforme está indicado na figura a seguir.
1.DATA DE VENCIMENTO __________________________
2.MULTA POR ATRASO __________________________
3. TOTAL A PAGAR __________________________
4. CONSUMO E UNIDADE________________________
O consumo representa a quantidade de energia consumida
ou utilizada por sua residência. Ela é medida em kWh que
significa quilo watt-hora. O quilo é o mesmo do
quilograma, quilometro, e significa 1.000 vezes. Já watt-
hora representa a medida da energia elétrica. Embora possa
lhe parecer �estranho� que watt-hora seja uma unidade
de energia (você se lembra de uma outra?) recorde que
watt é uma unidade de potência e hora uma unidade de
tempo. O produto potência x tempo resulta na energia.
Assim, watt-hora representa o produto da potência pelo
tempo e 1kWh é 1.000. watt-hora.
Essa unidade é a medida da energia elétrica utilizada pelas
casas porque a potência dos aparelhos elétricos é medida
em watt e o tempo de funcionamento dos aparelhos em
horas.
Se você dividir o valor total a pagar o já pago pelo
consumo, ou seja, a quantidade de kWh utilizados pela
sua casa, obterá o valor médio de quanto lhe custou cada
kWh de energia.
Faça o cálculo e anote o valor encontrado aqui:
1kWh = _________
A quantidade de energia que você utiliza em casa depende
de dois fatores básicos:a potência dos aparelhos e o tempo
de funcionamento. Os dois fatores, ao contrário do que se
imagina, são igualmente importantes, quando se pensa o
custo a pagar pela energia elétrica utilizada.
Um aparelho de baixa potência mas que funciona
durante muito tempo diariamente, pode gastar tanto
ou mais energia que um outro aparelho de maior
potência que funciona durante pouco tempo.
O valor indicado na conta como consumo da energia
elétrica representa a somatória do produto da potência
de cada aparelho elétrico pelo tempo de funcionamento
entre uma medida e outra.
Esse valor é obtido a partir de duas leituras realizadas, em
geral, no período de trinta dias.
No "relógio de luz", essa leitura é feita através da indicação
de 4 ponteiros, da esquerda para a direita, conforme indica
o exemplo a seguir.
 leitura realizada no início do mês de abril
ENERGIA = POTÊNCIA X TEMPO
 E = P X t
leitura realizada no início do mês de maio
consumo = 5 107 - 3 731 = 376 kWh
2
0
exercitando ....
A conta de luz de uma residência indica o valor a pagar
igual a $76,00. O consumo da energia elétrica medido em
kWh é 443. Qual é, em média, o valor pago por 1kWh?
Compare o valor encontrada com o calculado na página
anterior. Admitindo-se que o mês de utilização seja o
mesmo, explique a difença no valor encontrado
1. Custo e imposto
Um aluno do colegial leu o anúncio reproduzido abaixo e
ficou com a seguinte dúvida: comprar o secador de cabelos
mais potente e mais caro ou comprar o mais barato e menos
potente? Ajude o aluno a resolver este problema, pois ele
ainda não estudou eletricidade, discutindo as vantagens e
desvantagens de cada um.
2. Dilemas da juventude
faça você mesmo
A soma de todos os produtos da potência pelo tempo de
funcionamento medido em horas, indica a energia utilizada
em uma semana medida em watt-hora. Para saber o
consumo mensal, basta multiplicar por 4, que é o número
de semanas por mês. Dividindo-se por 1000, o resultado
será o valor do consumo medido
em kWh. Faça as contas e
compare com o valor impresso em sua conta. Verifique se
eles são próximos ou muito diferentes. Tente explicar as
razões das possíveis diferenças.
Você pode ter idéia se o consumo indicado na sua "conta
de luz" não está fora da realidade por erro de leitura, fazendo
a atividade proposta a seguir. Para tanto, utilize a tabela
abaixo e anote os valores referentes a cada uma das colunas.
O tempo de funcionamento de cada aparelho deve ser o
mais preciso possível. Lembre-se que a geladeira e o
freezer, funcionam, em média, 8 horas por dia, pois eles
ligam e desligam . Se você tiver rádio-relógio, leve em
conta apenas o tempo de funcionamento do rádio pois o
relógio tem consumo muito pequeno.
CABELOS LONGOS, BEM CUIDADOS
 VALORIZAM SEU VISUAL!
ANÚNCIOS MÁGICOS
Por apenas $45,00, você adquire um
secador de cabelos de 1000 WATT, ou
se preferir, por $31,50, você leva um
de 800 watt.
2
1
6
Atividade e
Exercícios
Você vai rever o que foi
discutido nas aulas
anteriores fazendo e
pensando as questões
propostas.
EXEXEXEXEXEXERCÍCIOS
( Eletricidade: presença e entendimento)
2
2
6 Atividade e Exercícios: Eletricidade:presença e entendimento
Atividade
Você escolher 3 aparelhos resistivos, 3 aparelhos
motores e 3 aparelhos de comunicação e tomar os
dados necessários para preecher a tabela a seguir.
A partir dos dados, responda as seguintes questões:
1. Que categoria de aparelhos costuma apresentar maior potência?
2. Qual categoria de aparelhos apresentam menor potência?
3. Todos os aparelhos apresentam tensão 110V ou 220V? Por quê?
4. Que tipo de aparelhos não costumam ser bi-volt, isto é, funcionar tanto em 110V quanto em 220V?
5. Se todos esse aparelhos funcionassem 2 horas por dia, qual a energia elétrica utilizada em 1 mês?
6. Qual destes aparelhos elétricos utiliza mais energia nesse mesmo tempo de funcionamento?
2
3
exercitando ...
1. Analise as figuras abaixo e responda 2. Que informações estão sendo fornecidas em cada um
dos ítens abaixo:
a) 110/127V c) 123 WCA
b) 3V CC d) 50/60 Hz
3. Como se dá a transmissão e a recepção em aparelhos
que transmitem sem fio?
4.A figura é a reprodução de uma parte da conta de luz.
a) É possível calcular o consumo de energia de uma
residência sem usar a informação da conta? Como? Que
dados são necessários?
b) Se na residência da conta acima fosse acrescentada
uma secadora de 1 200W, usada 50 horas por mês, para
quanto iria o consumo? E o custo?
5. Numa conta de luz encontramos o seguinte valor 234
kWh. Ele se refere a:
a. potência consumida
b. tensão consumida
c. energia consumida
d. corrente do circuito
aparelhos resistivos
motores eléricos
 fontes de energia elétrica
a) Explique a classificação dos aparelhos dada acima.
b) Há aparelhos que podem ser classificados em mais de
um critério. Dê exemplos e justifique a resposta.
c) Que tipos de transformações de energia ocorrem nos
aparelhos resitivos? E nos motores?
d) As fontes de energia produzem energia elétrica ou
simplesmente transformam? Explique.
2
4
1. Em um secador de cabelo as informações fornecidas
pelo fabricante são: (110V; 50-60Hz; 100W).
Esse aparelho quando ligado durante 10 minutos "gasta"
mais energia que:
I - Uma lâmpada 110V-60W
II - Uma lâmpada de 220V-100W
III - Uma lâmpada de 110V-150W
Ligadas também durante 10 minutos cada uma.
6. Observe a figura e responda:
a. Qual a energia gasta por essa lâmpada em uma
hora?
b.De onde vem essa energia?
c.Toda essa energia é transformada em luz? Explique.
d.Essa lâmpada é usada normalmente em corrente
contínua ou alternada?
e.Explique a diferença entre esses dois tipos de corrente.
7. Uma residência pagou $65,00 (valor em merrecas)
pelo consumo de 384 kWh.
Qual o valor médio pago por cada kWh?
8.Uma lâmpada de filamento apresenta o valor escrito
sobre o vidro.
O que é e qual o significado desse valor?
 teste seu vestibular...
6. Uma lâmpada com inscrição (110V-100W) brilha
mais ou menos que uma outra de (220V-60W)? A que
se refere os números e letras impressos nessas
lâmpadas?
7) Um chuveiro de 2 800W/220V é usado 30 horas
por mês, enquanto um aquecedor de 1 200W/110V é
usado 50 horas no mesmo período. Qual dos dois
consome mais energia?
8) Para secar o cabelo, um jovem dispõe de dois
secadores elétricos: um de 1200W-110V e outro de
700W-110V. Discuta as vantagem em se utilizar um e
outro.
100W
GREF - Eletricidade/eletro2.pdf
leituras de
física
GREF
versão
 preliminar
ELETROMAGNETISMO
para ler, fazer e pensar
7 a 13
10. O controle da corrente elétrica
11. Ligações elétricas na residência
12. Circuitos elétricos e sua representação
13. Exercícios
7. Chuveiros elétricos
8. Lâmpadas e fusíveis
9. A potência nos aparelhos resistivos
Leituras de Física é uma publicação do
GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física
Instituto de Física da USP
EQUIPE DE ELABORAÇÃO DAS LEITURAS DE FÍSICA
Anna Cecília Copelli
Carlos Toscano
Dorival Rodrigues Teixeira
Isilda Sampaio Silva
Jairo Alves Pereira
João Martins
Luís Carlos de Menezes (coordenador)
Luís Paulo de Carvalho Piassi
Suely Baldin Pelaes
Wilton da Silva Dias
Yassuko Hosoume (coordenadora)
ILUSTRAÇÕES:
Fernando Chuí de Menezes
Mário Kano
GREF - Instituto de Física da USP
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junho de 1998
2
5
 Chuveiros
elétricos
Agora você vai
ficar por dentro
de como são
 construidos esses
aparelhos
7 Quando está quente, o chuveiro faz a
água"ferver", quando está frio, a água não
esquenta. O que é que tem esse chuveiro?
2
6
7
 Vamos descobrir qual é a relação entre estas grandezas e os aparelhos elétricos presentes em nosso
dia-a-dia.
 As informações contidas nas chapinhas geralmente se referem a grandezas físicas que indicam as
condições de funcionamento desses aparelhos.
Observação do chuveiro
Quantos pontos de contato elétrico existem no resistor?
Observe que o resistor é divido em dois trechos.Quais são
os pontos de contatos para a ligação verão? E para a posição
inverno?
Por que o chuveiro não liga quando a água não tem muita
pressão?
Roteiro
 Dados do fabricante:
 Tensão
 Potência
Qual a transformação de energia realizada pelo
chuveiro? Onde ela é realizada?
Quando a água esquenta menos?
Dá choque em algum lugar quando você toma
banho?
Chuveiros
2
7
Observe que o resistor tem três pontos de contato, sendo
que um deles permanece sempre ligado ao circuito.
As ligações inverno-verão são obtidas usando-se
comprimentos diferentes do resistor.
Na ligação verão usa-se um pedaço maior deste mesmo
fio, enquanto a ligação inverno é feita usando-se um
pequeno trecho do fio, na posição verão é utilizado um
trecho maior.
Na ligação inverno, a corrente no resistor deverá ser maior
do que na posição verão, permitindo assim que a potência
e, portanto, o aquecimento, sejam maiores.
Quando a tensão, o material e a espessura são mantidas
constantes, podemos fazer a seguinte relação, conforme a
tabela a seguir.
O circuito elétrico do chuveiro é fechado somente quando
o registro de água é aberto. A pressão da água liga os
contatos elétricos através de um diafragma. Assim, a
corrente elétrica produz o aquecimento no resistor. Ele é
feito de uma liga de níquel e cromo (em geral com 60%
de níquel e 40% de cromo).
Na posição verão, o aquecimento da água é menor, e
corresponde
à menor potência do chuveiro. Na posição
inverno, o aquecimento é maior, e corresponde à maior
potência.
As ligações inverno-verão correspondem para uma
mesma tensão, à diferentes potências. A espessura do fio
enrolado - o resistor - comumente chamado de "resistência"
é a mesma.
A maioria dos chuveiros funciona sob tensão elétrica de
220V e com duas possibilidades de aquecimento: inverno
e verão. Cada uma delas está associada a uma potência.
Quando fizemos a classificação dos aparelhos e
componentes eletrônicos, o grupo dos resistivos, cuja
função é produzir aquecimento, foi colocado em primeiro
lugar. A razão desta escolha é que, normalmente, os
resistivos são os aparelhos mais simples. Desse grupo
vamos destacar chuveiros, lâmpadas incadescentes e
fusíveis para serem observados e comparados.
verão inverno
aquecimento menor maior
potência menor maior
corrente menor maior
comprimento do resistor maior menor
invernoverão Alguns fabricantes usam
para o verão todo o
comprimento do resistor
e um dos pedaços para o
inverno.
2
8
 exercitando ....
1. Leia o texto e observe a figura.
Os chuveiros elétricos têm uma chave para você
regular a temperatura de aquecimento da água, de acordo
com suas necessidades: na posição verão, o aquecimento
é mais brando, e na posição inverno, o chuveiro funciona
com toda sua potência. Mas, se for necessário, você poderá
regular a temperatura da água, abrindo mais ou fechando
o registro da água: quanto menos água, mais aumenta o
aquecimento.
Responda as seguintes questões:
a) Qual é a tensão do chuveiro?
b) Qual é a potência que corresponde a posição verão?
c) Em qual das duas posições o resistor tem maior
comprimento?
d) Em qual posição a corrente é maior?
e) Em qual posição o comprimento do resistor é maior?
f) O que acontece se ligarmos esse chuveiro na tensão
110V? Explique.
g) Indique no esquema as ligações inverno e verão.
h) De acordo com suas observações, você diria que o
aumento no comprimento do filamento dificulta ou favorece
a passagem de corrente elétrica? Explique.
verão inverno
aquecimento
potência
corrente
comprimento do resistor
2. Complete a tabela abaixo usando adequadamente as
palavras menor e maior:
220V
4400/2800W
2
9
8
Lâmpadas
e fusíveis
Aqui você vai ficar por
dentro de como se
obtém diferentes brilhos
sem mudar a tensão e
para que servem os
fusíveis
Lâmpada de 100, de 60, de 25,...
Afinal o que é que as lâmpadas têm
para se diferenciarem
umas das outras?
3
0
8 Lâmpadas e fusíveis
Observação de lâmpadas
Vamos comparar um conjunto de lâmpadas e analisar como os fabricantes conseguem obter diferente potências, sem
variar a tensão.
Os filamentos mais usados são os de formato em dupla espiral, que permitem a redução de suas dimensões e, ao
mesmo tempo, aumenta sua eficiência luminosa. Eles são feitos de tungstênio.
roteiro
1. Qual delas brilha mais?
2. Qual a relação entre a potência e o brilho?
3. Em qual delas o filamento é mais fino?
4. Qual a relação existente entre a espessura do filamento
e a potência?
5. Em qual lâmpada a corrente no filamento é maior?
6. Qual a relação existente entre a corrente e a espessura?
As lâmpadas elétricas se dividem em dois tipos básicos:
INCANDESCENTES e de DESCARGA usualmente
chamadas de fluorescentes.
As lâmapadas incandescentes produzem luz por meio
do aquecimento de um filamento de tungstênio, enquanto
que nas lâmpadas de descarga a luz é emitida graças à
exitação de gases ou vapores metálicos dentro de um tubo.
Por isso, as lâmpadas fluorescentes são conhecidas como
lâmpadas frias.
Nesse momento vamos tratar, apenas, das lâmpadas
quentes; as incandescentes.
Essas lâmpadas de filamento são classificadas no grupo dos
resistivos, pois, embora sejam utilizadas para iluminar, uma
fração muito pequena da energia é luz (∼ 5%), o restante,
95% produz aquecimento.
O princípio de funcionamento da lâmpada incandescente
baseia-se na corrente elétrica que aquece um filamento de
tungstênio. As lâmpadas são fabricadas a vácuo para evitar
a oxidação dos filamentos: o ar é retirado no processo de
fabricação e é injetado um gás inerte, em geral, o argônio.
Para obter diferentes luminosidades, o fabricante altera,
geralmente, a espessura do filamento: quanto maior a
espessura maior a corrente e, portanto, maior a
luminisidade.
3
1
Quando ocorre a fusão, o circuito fica aberto, interrompendo
a passagem da corrente e os aparelhos deixam de
funcionar. Quanto maior for a corrente especificada pelo
fabricante, maior a espessura do filamento.Assim, se a
espessura do filamento do fusível suporta no máximo uma
corrente de 10A e por um motivo qualquer a corrente
exceder esse valor, a temperatura atingida pelo filamento
será suficiente para derrete-lo, e desta forma a corrente é
interrompida.
Por isso é que os fusíveis devem ser feitos de um material
de baixo ponto de fusão para proteger a instalação.
fusível de cartucho
fusível de rosca
 Observação dos fusíveis
Os fusíveis são elementos essenciais dos circuitos elétricos pois sua função é proteger a instalação. Existem vários
tipos de fusíveis e o mais comum é o de rosca, conforme ilustra a figura a seguir. Nestes, o material utilizado é uma
liga contendo estanho. Outros tipos de fusíveis são os de cartucho, geralmente utilizados em aparelhos de som,
dentre outros.
roteiro
Nesta atividade vamos comparar um conjunto de diferentes fusíveis de rosca.
1. Identifique num fusível de rosca seus elementos essenciais: pontos de contato elétrico, filamento e outros
materiais que o constituem.
2. Em qual deles a espessura é maior?
3. Qual a relação existente entre a espessura e a corrente indicada pelo fabricante?
4. De que maneira os fusíveis conseguem proteger o circuito elétrico de uma residência?
O controle da corrente elétrica é feito através da espeussura
do filamento.
Os fusíveis se encontram normalmente em dois lugares
nas instalações elétricas de uma residência: no quadro
de distribuição e junto do relógio medidor. Alem disso
eles estão presentes no circuito elétrico dos aparelhos
eletrônicos, no circuito elétrico do carro, etc.
Quando há um excesso de aparelhos ligados num mesmo
circuito elétrico, a corrente elétrica é elevada e provoca
aquecimento nos fios da instalação elétrica. Como o fusível
faz parte do circuito essa corrente elevada também o
aquece. Se a corrente for maior do que aquela que
vem especificada no fusível: 10A, 20A, 30A, etc, o seu
filamento se funde (derrete) antes que os fios da instalação
sejam danificados
3
2
exercitando...
lâmpada brilho potência espessura corrente
25W
60W
100W
1. Preencha o quadro a seguir, utilizando setas na vertical,
cujo sentido indica o valor crescente da grandeza indicada.
2. O que acontecerá se ligarmos uma lâmpada com as
inscrições (60W-110V) na tensão 220V? Por que?
3. Por meio de qual processo se obtém luz numa lâmpada
de filamento?
4. Preencha a tabela abaixo, utilizando setas na vertical,
cujo sentido indica o valor crescente da grandeza indicada,
ou o sinal de igual.
5. Numa instalação elétrica residencial ocorre
frequentemente a queima do fusível de 15A. Para resolver
o problema, um vizinho sugere que se troque por um
outro de 30A. Esse procedimento é correto? Justifique,
levando em conta a sua função no circuito.
Rapidinhas
a) Qual a função do fusível na instalação residencial?
b) O que significa a informação 10A no fusível da figura?
c) Há diferença no fio de fusível de 20A em relação ao da
figura? Qual? Por que?
saiba que...
Os disjuntores também têm a mesma função dos fusíveis,
proteger a instalação elétrica.
Ao constrário dos fusíves, os disjuntores não são danificados
quando a corrente no circuíto é maior que a permitida,
eles apenas interrompem a corrente abrindo o circuito, de
forma que, depois de resolvido o problema, o dispositivo
pode voltar a funcionar novamente.
fusíveis comprimento espessura corrente
10A
20A
30A
3
3
9
A potência nos
aparelhos resistivos
Aqui
você vai aprender
em que condições os
aparelhos apresentam a
potência indicada pelo
fabricante.
 4400W
 inverno 2200W
 verão
Tomar banho é uma das boas e desejáveis coisas a
fazer após um dia de trabalho, ou de um jogo na
quadra da escola. Mas se o chuveiro é daqueles que
quando o tempo está frio ele esquenta pouco e nos
dias quentes ele ferve, o banho pode tornar-se um
martírio. Como é que se obtém o aquecimento
desejado nesses aparelhos?
3
4
 9 A potência nos aparelhos resistivos
Para entrar em funcionamento, um aparelho elétrico
tem que estar conectado a um circuito elétrico fechado
que inclui além dele uma fonte de energia elétrica. No
caso do circuito elétrico das nossas casas, ele é formado
de fios de cobre cobertos por uma capa de plástico e
a fonte é a usina.
Os aparelhos resistivos são formados de apenas um
fio metálico enrolado que é chamado de resitor.
Os fios de cobre da instalação da casa são ligados às
suas extremidades e, assim o circuito é fechado.
Quando o aparelho entra em funcionamento, a corrente
elétrica no circuito faz com que o aquecimento fique
mais concentrado no resistor. Por exemplo, nas
lâmpadas, esse aquecimento é super e o filamento
atinge temperaturas acima de 2000oC. Já nos chuveiros
e torneiras elétricas, a temperatura atingida é menor,
até porque ele está em contato com a água. A mesma
coisa acontece nos aquecedores que são utilizados nos
dias frios onde o resistor adquire a cor vermelha.Sua
temperatura está entre 650oC e 1000oC, dependendo
da intensidade da cor.
O aquecimento que é obtido com tais aparelhos é um
efeito da corrente elétrica que existe no seu circuito.
Esse efeito térmico da corrente elétrica, que tem o nome
de efeito Joule, é inseparável da sua causa, isto é,
onde houver corrente, há aquecimento.
Potência corrente tensão
Potência corrente tensão
Potência corrente tensão
Para um certo aparelho, a tensão é sempre a mesma
durante o seu funcionamento. O chuveiro é um
exemplo disso. Mas mesmo assim, pode-se obter
diferentes potências (verão e inverno) sem variarmos
a tensão. Isso só vai acontecer se a corrente no resistor
for também diferente, já que a tensão da fonte é
sempre a mesma. Para visualizar, podemos escrever
uma tabela:
3
5
P = i . U
A relação entre a potência, a corrente e a tensão pode ser
expressa pela fórmula:
Potência = corrente x tensão
ou
Þ Þ
Para que se possa obter esses diferentes graus de
aquecimento é preciso controlar o valor da corrente
elétrica no resistor.
Ao dificultar muito, mais ou menos ou pouco, a passagem
da corrente no resistor, controla-se o valor da corrente.
O controle do aquecimento nas lâmpadas, chuveiros e
outros aparelhos resistivos é realizado através do valor da
corrente elétrica que existe no resistor. Assim,
MAIOR MAIOR MAIOR
 AQUECIMENTO POTÊNCIA CORRENTE
Assim, utiliza-se o conceito de resistência elétrica de um
resistor para medir a dificuldade que ele opõe à passagem
de corrente.
 resistência elétrica corrente elétrica
Os resistores não são feitos de cobre, que é o material das
instalações. Nas lâmpadas, por exemplo, o material
utilizado é o tungstênio.
Além disso, a espessura do filamento é alterada e,
assim,obtém-se valores diferentes de corrente
e,consequentemente, de potência sem que seja necessário
mudar o valor da tensão.
Já no chuveiro, o material utilizado é uma mistura de
níquel e cromo e o aquecimento maior no inverno é
obtido usando apenas um pedaço menor do seu filamento.
.
P = i . U
resumindo ...
Para se obter diferentes graduações no
aquecimento de um certo tipo de aparelho
resistivo, o fabricante ou muda a espessura
e/ou muda o comprimento do resistor.
grande pequena
X
3
6
 exercitando...
 Rompendo a barreira da escuridão
parte 1
Como diz o grande sábio que mora aqui no bairro �depois
de um tropeço, vem a seguir uma escorregada�. Pois,
não foi, estava eu com a cozinha na mais completa
escuridão quando não tive outra saída e fui até o
mercadinho para comprar uma lâmpada.
Na urgência em que me encontrava, peguei a lâmpada
e fui logo substituindo pela queimada. Ao ligar percebi
que a luz que ela produzia era tão fraquinha que parecia
de uma vela.
Minha primeira reação foi de culpar o mercadinho, mas
logo me dei conta que fui eu mesmo quem pegou a
lâmpada.
Verificando a potência da lâmpada observei o valor de
60 W, a mesma da lâmpada queimada, mas a sua tensão
era de 220 volts e não 110V.
Você pode me explicar por que o brilho não foi o
esperado?
parte 2
Voltando ao mercadinho verifiquei que todas as
lâmpadas postas à venda eram de tensão 220V, mas as
potências iam de 25W até 250W. Que sugestão você me
daria para que fosse possível, emergencialmente, aumentar
a luminosidade da minha cozinha? Explique sua sugestão.
 Efeito bumerangue
Preocupada com o aumento da conta de luz que subia a
cada mês, a mãe, que era a chefe daquela família, resolveu
agir, depois de todos os apelos para que seus �anjinhos�
ficassem mais �espertos� na hora do banho.
Ela retirou o chuveiro novo que havia comprado e que
tinha a potência de 5600W / 2800W - 220V e recolocou o
antigo que tinha potência 3300W/2200W-220V.
Houve mudança no aquecimento da água?
Calcule o valor da corrente em cada caso e verifique se
isso está de acordo com sua resposta anterior.
Se isso acontecesse com você, que outra providência
tomaria?
3
7
10
O controle da
corrente elétrica
Agora você vai saber de
que maneira se
consegue diferentes
aquecimentos
Verão - inverno no chuveiro; 40W, 60W, 100W nas
lâmpadas. Através da potência, obtém-se diferentes
aquecimentos. Como o fabricante consegue fazer isso?
3
8
 10 O controle da corrente elétrica
uso materiais
resistência
específica*
instalação residencial cobre
antena alumínio
lâmpada tungstênio
chuveiros níquel-cromo
capas de fios borracha
suporte de fios em
postes
madeira
apoio de fios em
postes
vidro
*materiais a 20 C, medido em volt x metro/ampère
1,7 . 10-8
2,8 . 10-8
o
5,6 . 10-8
1,1 . 10-6
1013 a 1016
108 a 1014
1010 a 1014
Resistência elétrica
A escolha adequada do material a ser usado como resistor
leva em conta a temperatura que ele deverá atingir,
lembre-se de que ele não pode derreter, e também a sua
capacidade de resistir à corrente elétrica. Essa capacidade
é diferente para cada tipo de material e, por isso, ela é
denominada de resistência específica. O valor da
resistência específica do material vai dizer se ele é bom
condutor ou não: quanto maior for esse valor, maior será a
resistência que ele oferece à corrente:
 resistência específica ALTA mau condutor elétrico
 resistência específica baixa bom condutor elétrico
A tabela a seguir ilustra os valores de alguns materiais:
É através do controle da corrente que se pode graduar o
aquecimento produzido pelos aparelhos resistivos.
Escolhendo um material para ser o resistor, uma espessura
e um comprimento adequados, a resistência elétrica do
resitor fica determinada e assim o valor da corrente elétrica
pode ser controlado.
Existe uma fórmula que permite o cálculo da resistência
elétrica. Adotando-se:
R para a resistência elétrica do resistor;
 (lê-se rô) para resistência específica do material;
 l l l l l para o comprimento do resistor;
A para a área de sua espessura;
podemos escrever que: 
R
A
= ⋅ρ l
Nesta expressão matemática podemos obter um valor
numérico para a resistência elétrica do resistor dos aparelhos
resistivos como o filamento da lâmpada, do chuveiro, dos
aquecedores, os fios de ligação, etc.
Note que esta expressão está de acordo com a forma como
as lâmpadas são construídas, pois, quanto maior for a
espessura do filamento, maior será a sua área e menor será
a resistência elétrica (lembre-se que
ela aparece no
denominador da fórmula).
ρρρρρ
3
9
Consequentemente, maior será a corrente e a potência. O
mesmo se pode dizer para os chuveiros: como o
comprimento aparece no numerador da fórmula, quanto
maior ele for, maior será a resistência elétrica e, portanto,
menor será a corrente e a potência. Isso corresponde à
posição verão.
Atenção
Esta expressão permite o cálculo da resistência elétrica de
um resistor na temperatura em que a resistência específica
foi obtida o seu valor. Isso quer dizer que se tivermos o
comprimento e a área da espessura do resitor do chuveiro
e conhecermos o material utilizado, podemos calcular a
sua resistência elétrica. O valor encontrado, entretanto,
pode não ser aquele que o resistor do chuveiro vai ter ao
funcionar.
Unidade:
Quando a tensão é medida
em volt e a corrente em
ampère, a resistência é
medida em volt/ampère
(V/A).
inverno
verão
 desligado > ligado
A temperatura do resistor muda bastante quando por ele
está passando corrente elétrica e, consequentemente, o
valor de sua resistência elétrica também se altera: ele
aumenta muito. Isso acontece porque o valor da resistência
específica depende da temperatura.
O filamento de uma lâmpada de 40W-110V, por exemplo,
tem resistência elétrica de aproximadamente 30 unidades
quando está desligada. Acesa, a temperatura do filamento
chega a 2200oC e o valor de sua resistência passa a ter o
valor de aproximadamente, 302,5 unidades.
Existe uma fórmula que permite o cálculo da resistência
de um resistor em funcionamento:
 tensão elétrica
Resistência elétrica = ________________
 corrente elétrica
ou seja:
 R = U/i R = U/i
.
4
0
Teste seu vestibular
1) Qual dos eletrodomésticos abaixo tem seu
funcionamento baseado no efeito Joule:
a. Geladeira b. Batedeira c. Torradeira
d. Liquidificador e. Espremedor de laranjas
2) No caso de um chuveiro ligado à rede de distribuição
de energia elétrica:
a. diminuindo-se o comprimento do resistor, reduz-se a
potência consumida.
b. aumentando-se o comprimento do resistor e
conservando-se constante a vazão de água, a sua
temperatura aumenta.
c. para conservar a temperatura da água, quando se
aumenta a vazão, deve-se diminuir o comprimento do
resistor do chuveiro.
d. a potência consumida independe da resistência elétrica
do chuveiro.
e. nenhuma das anteriores.
exercitando ...
Planos (nada) econômicos
parte 1
Numa certa escola, já há algum tempo, os alunos
reinvidicavam um chuveiro para tomar banho quente
depois dos jogos de campeonatos que se realizavam
aos sábados à tarde. Com a verba curta e os preços nada
atrativos, foi providenciado um chuveiro �baratinho�, que
depois de instalado, mal dava para perceber que estava
funcionando, pois a água praticamente não esquentava.
Proponha duas maneiras diferentes de solucionar esse
problema excluída a possibilidade de trocar o chuveiro.
parte 2
Na organização da entrega dos diplomas no teatro da
escola, a diretora verificou que era preciso fazer a ligação
de uma tomada para a aparelhagem de som. Encarregou
o vigia para providenciar o material necessário mas
recomendou: �não gaste muito, que a verba está no
fim�. Na loja de materiais elétricos, o vendedor coloca
o vigia diante de um dilema: comprar os 10 m de fios
necessários de qual espessura: mais fino e mais barato
ou o outro um pouco mais grosso e mais caro? Ajude o
vigia a não entrar numa fria e não deixe que ele coloque
em risco a formatura dos alunos. Leve em conta que a
potência do aparelho de som é 350W-110V.
4
1
11
 Ligações elétricas
na residência
Agora você vai saber
como se obtém o 110 e o
220 e ainda como se faz
as ligações de
lâmpadas, tomadas e
chuveiros.
Nas ruas somos capazes de observar quilômetros e
mais quilômetros de fios apoiados nos postes. Em
nossas casas dois ou três destes fios passam pelo
medidor e depois deixam de serem vistos.
O que foi feito deles?
4
2
11 Ligações elétricas na residência
Para compreender um pouco mais e saber como é feita a
instalação elétrica em nossas casas, vamos ver os fios que
chegam dos postes.
As características da eletricidade da rede pública
Em alguns municípios a rede elétrica é feita com dois fios,
um fio fase, que é um fio energizado, e um fio neutro,
que pode ser tocado sem que se leve choque quando o
circuito está aberto. Nesse caso, a rede é chamada de
monofásica e só pode ser ligados aparelhos de 110V. As
vezes, a rede elétrica é constituida de dois fios fase e a
tensão fornecida é 220V.
Detalhes da instalação elétrica residencial
Vamos olhar com mais detalhes para os fios que chegam
do poste de sua casa ou prédio e desce para seu medidor
de consumo de energia elétrica (relógio de luz).
Normalmente são três fios que vão para o quadro de
distribuição. Depois de passar pelo relógio de luz que é o
aparelho que mede o consumo de energia elétrica, chegam
ao quadro de distribuição três fios que passam pela chave
geral, daí para outras chaves.
A chave geral serve como interruptor de toda a instalação
elétrica, quando desligada os aparelhos não funcionam,
isso facilita o manuseio na instalação e até pequenos reparos.
Da chave geral os fios podem ser combinados dois a dois
podendo fornecer tensões 110V e 220V passando por
outras chaves de distribuição: fase e neutro (110V) e fase
fase (220V).
Em outros municípios chegam três fios, sendo dois fios
fase e um fio neutro, nesse caso, a rede é chamada de
bifásica, podendo ligar aparelhos de 110V ou 220V,
dependendo da distribuição do circuito residencial.
4
3
2. Tomada simples e lâmpada com
interruptor (220V)
Nesse caso, os dois fios de ligação da
tomada são ligados aos fios fase da
rede elétrica. Na lâmpada, um fio fase
é ligado ao interruptor e o outro é
ligado diretamente a um dos contatos
no soquete.
Uma outra maneira de ligar os aparelhos elétricos é
chanmada de ligação em série. Nesse caso, uma lâmpada
ou aparelho depende do funcionamento dos demais. Se
um aparelho for desligado por qualquer motivo, o circuito
fica aberto, impedindo o funcionamento dos outros, pois,
impede a passagem da corrente. Portanto, esse tipo de
ligação não é feita nas instalações de aparelhos elétricos
residenciais.
A ligação em série é utilizada em alguns circuitos de
iluminação de árvores de Natal e nos circuitos interno de
alguns aparelhos como: rádio, TV, etc.
Os fusíveis são colocados somente nos fios energizados
(fios fase). Não devemos colocar fusíveis nos contatos da
chave por onde passa o fio neutro, pois, se ele queimar, o
circuito ficará sem o neutro, e um aparelho ligado a este
circuito não funcionará. Além disso, se uma pessoa tocar o
aparelho, poderá levar um choque, conduzindo a corrente
elétrica para a Terra.
Tipos de ligação
Os aparelhos elétricos normalmente já vem com a tensão
e a potência elétrica especificada e que precisam de
intensidades de correntes diferentes para funcionarem
corretamente.
Através do funcionamento das lâmpadas e aparelhos
elétricos de uma residência, é possível perceber que as
suas ligações são independentes. Isto é, se a lâmpada da
sala queimar ou for desligada, não inter fere no
funcionamento de outras lâmpadas ou aparelho que estiver
funcionando.
Nessa situação, os aparelhos são ligados de forma que
tenham a mesma tensão.A esse tipo de ligação chamamos
de ligação em paralelo.
atenção!
2. O manuseio durante uma
troca de lâmpada ou um
reparo numa tomada deve
sempre ser feito com o
circuito aberto, o que é feito
desligando-se a chave
geral.
1.Na ligação de torneiras e
chuveiros se faz
necessário a ligação de um
fio terra para evitar um
possível choque.
Como devem ser instalados os
aparelhos
1.Tomada simples e lâmpada com
interruptor (110V)
Na ligação da tomada, um fio é ligado
ao fase e o outro ao neutro. Na
lâmpada, o fio neutro deve estar
ligado ao soquete e o fio fase ao
interruptor.Esta medida evita que se
tome choque quando for trocar a
lâmpada, estando o interruptor
desligado.
3. Torneira
e chuveiro elétrico
Normalmente estes aparelhos são fabricados para
funcionarem em 220V mas podem ser fabricados para
110V.
fase
fase
fase
fase
neutro
Tanto num caso como
noutro, as ligações são
feitas de modo
semelhante à tomada
220V ou 110V, conforme
o caso.
neutro
4
4
1. Quando mais de um aparelho entra em funcionamento,
em certos trechos de circuito elétrico residencial a corrente
elétrica é maior do que se estivesse ligado apenas um
aparelho. Isso deve ser levado em conta no uso de
benjamins. O correto é ligar um aparelho de cada vez numa
tomada e o benjamim serve para deixar já conectado a
ela.
 saiba que ...
1. A figura ilustra uma instalação feita corretamente,
descubra o fio fase e o fio neutro. fio .........
 fio ..........
2. Faça as ligações corretamente.
2. A espessura dos fios de ligação tem um papel
importante. Nas instalações pode ocorrer perdas de
energia, seja por aquecimento dos fios (efeito joule), fugas
de corrente ,etc, colocando em risco a segurança das
pessoas e de toda a instalação.
Como a corrente é determinada pelo aparelho, a
espessura dos fios da instalação tem um papel importante,
pois se estes forem finos, sua resistência elétrica será
maior, aumentando assim a potência dissipada.
Uma mesma corrente que passa por um fio de cobre
fino, provoca um aquecimento maior do que se ela passar
por um fio de cobre grosso.Portanto, quanto mais grosso
o fio, maior a acorrente que ele suporta sem aquecer.
A escolha da fiação para uma instalação deve levar em
conta a corrente máxima que os fios suportam.
tabela
exercitando ....
fio em
AWG
espessur
em mm
corrente máxima
em aberto (A)
corrente
máxima em
conduite (A)
16 1,5 15 11
14 2,1 20 15
12 3,3 25 20
10 5,3 40 30
8 8,4 55 40
6 13 80 55
4 21 105 70
2 34 140 95
2
fase
 fase
neutro
4
5
12
Circuitos elétricos e
sua representação
Vamos aprender uma
maneira de simplificar
desenhos que
representam os circuitos
elétricos
B
A C
D
E
F
G
H
fase
neutro
fase
Na figura abaixo está representada uma rede de
distribuição de 110V, onde foram instaladas 2
lâmpadas e 2 tomadas: uma para ligar um ferro
elétrico e uma secador de cabelo. Do relógio de luz
até a última lâmpada, foram utilizados 30 metros de
fio de cobre 14, incluindo o fase e o neutro. Para as
tomadas e lâmpadas foram necessários, para
completar as ligações, 4 metros de fio 16.
1
1
2
2
4
6
11 Circuitos elétricos e sua representação
c) Suponhamos que apenas a lâmpada do interruptor 1 esteja ligada.
A corrente exigida para seu funcionamento será: i
1
= ≅100
110
0 91, A .
Se ligarmos também o ferro elétrico na tomada 2, a corrente exigida
para seu funcionamento será: i
2
= ≅750
110
6 81, A .
De modo que a corrente entre o relógio de luz e os pontos E e F será:
i = i
1 
+ i
2
 = 6,81 + 0,91 = 7,72A
P
total 
= 500 + 100 + 60 + 750 = 1 410W
a) Para identificar se as ligações foram feitas em série ou paralelo,
vamos observar onde os fios da tomada e das lâmpadas foram
conectados. Nesse caso foram conectados no fio fase e neutro que
fornecem uma tensão de 110V. Portanto a ligação foi feita em paralelo.
Nesse tipo de ligação, o funcionamento desses aparelhos não é
interrompido quando um deles é ligado, desligado ou "queimado".
b) Para sabermos o fusível adequado para uma instalação, devemos
levar em conta que todos os aparelhos estejam ligados, fazer a soma
total da potência consumida de cada aparelho, desprezando apotência
dissipada na fiação,
1. Com base nos dados indicados na figura da página anterior
vamos discutir as questões:
a) Identifique se as ligações dos aparelhos foram feitas em série ou
paralelo.
b) Qual o fusível adequado para proteger esta instalação, sabendo-se
que a corrente máxima admissível para o fio 14 é 20A?
c) Discuta por que é possível substituir por um fio mais fino (16) as
ligações das lâmpadas e tomadas.
d) Represente esquematicamente esse circuito, calculando os valores
das resistências em cada trecho.
Se todos os aparelhos estiverem funcionando, cada um exigirá uma
determinada corrente que pode ser calculada pela equação P = U.i e a
corrente total, que é a soma de todas essas correntes, corresponderá
apenas ao trecho entre o relógio de luz e os pontos A e B.
d) O cálculo das resistências podem ser feitos usando as equações:
P=U . i e R= U/i . Usando o símbolo para os resistores temos:
Usando a equação: P = Ui, obtemos: i
P
U
W
V
A= = ≅1410
110
12 8, que
é a corrente que passa pela chave na caixa de luz. O fusível adequado
para proteger a instalação elétrica é de 15A, pois é compatível com a
corrente máxima admitida pelo fio de cobre 14 e está acima do valor
da corrente requerida por todos os aparelhos funcionando ao mesmo
tempo.
Admitindo-se que os fios da rede principal e os fios que ligam aos
aparelhos possuem resistência elétrica que pode ser considerada
desprezível se a
escolha deles for
adequada. Assim,
podemos simplificar
um pouco mais
esse circuito e
representá-lo da
maneira ilustrada
ao lado.
4
7Na associação em série, cada lâmpada do circuito está submetida a
uma tensão cuja soma equivale à tensão total entre os extremos A e B
do circuito (uma vez que as perdas na fiação podem ser consideradas
desprezíveis).
Como a tensão em cada lâmpada é sempre menor que a tensão aplicada
nos terminais da associação, a potência dissipada em cada uma delas
na ligação em série é sempre menor do que a indicada pelo fabricante.
Nessas condições ela terá um brilho bem menor que o esperado. Além
disso, se uma lâmpada queimar, interrompe o circuito e
consequentemente as outras apagam. Por isso este tipo de ligação
não é usado nas instalações residenciais.
U
AB 
= U
AC 
+ U
AD 
+ U
DB
Como: U
AC
 = R
1
.i, U
CD
 = R
2
.i e U
DB
 = R
3
.i
então: U
AB 
= R
1
.i + R
2
.i + R
3
.i
Para calcularmos a resitência equivalente da associação usaremos a
relação: U
AB
 = R
eq
.i, portanto:
R
eq
 . i = (R
1
 + R
2 
+ R
3
).i
 R
eq
 = R
1 
+ R
2
 + R
3
A potência dissipada na associação em série é calculada pela relação:
 P= R .i2 = R
eq
 .i2 = (R
1 
+ R
2
 + R
3 
) . i2 = 
 
R
1
 .i2 + R
2
 . i2 + R
3 
 . i2
ou seja,
 P = P
1
 + P
2
 + P
3
2. Vamos verificar de que modo podemos ligar três lâmpadas
L
1
, L
2 
e L
3
 de mesma tensão em um circuito.
Existem três formas diferentes: todas em série, todas em paralelo, duas
em série e em paralelo com a terceira.
As vantagens e as desvantagens de cada tipo de associação, serão
discutadas a seguir:
1. Ligação em série: neste tipo de ligação a mesma corrente se
estabelece nas três lâmpadas do circuito. Vejamos a figura.
A tensão total aplicada às três lâmpadas pode ser escrita como:
De um modo mais simplificado temos:
110V
4
8
2. Ligação em paralelo: este tipo de ligação se caracteriza pelo fato
de todas as lâmpadas estarem submetidas a uma mesma tensão,
desprezando-se a resistência elétrica dos fios da instalação.
A tensão AB é igual às tensões CD, EF e GH, pois estamos desprezando
a resistência dos fios. Desse modo, podemos reduzir ainda mais os
esquema:
i = U/R
eq
, onde R
eq
 é a resistência equivalente da associação.
Sendo i
1
 = U/R
1
, i
2
 = U/R
2
 e i
3
 = U/R
3
Substituindo na equação i = i
1
 + i
2
 + i
3
, teremos:
As correntes estabelecidas em cada uma delas será i
1
, i
2
, i
3
, e a corrente
total, estabelecida entre os pontos A e B do circuito, será i = i
1
 + i
2
 +
i
3
.
Assim, se a tensão é a mesma, pela lei de Ohm, temos:
U/R
eq
 = U/R
1
 + U/R
2
 + U/R
3
 ou
1/R
eq
 = 1/R
1
 + 1/R
2
 + 1/R
3
Na associação em paralelo, a tensão em cada lâmpada é a mesma e a
potência dissipada em cada lâmpada independente do número de
lâmpadas agrupadas e, consequentemente, o brilho da lâmpada
também são. O brilho é igual ao que teria se ela estivesse sozinha.
Além disso se uma das lâmpadas queimar as demais não sofrem
alteração. É por isso que essa ligação é utilizada nas instalações elétricas
residenciais.
3. Ligação mista: É quando combinando os dois tipos de ligação
conforme mostra a figura:
Nessa situação, a tensão U se aplica nos terminais da série R
1
 + R
2
 e em
R
3
. Assim, L
3
 terá brilho maior que L
1
 e L
2
. Em função dessa característica,
esse tipo de circuito também não é empregado nas instalações elétricas
residenciais mas é muito utilizado nos circuitos internos dos aparelhos
eletrônicos como rádio, TV, comutadores, etc...
Podemos ainda representar esquematicamente a mesma ligação da
seguinte forma:
4
9
13
Você vai rever o
conteúdo das aulas
anteriores fazendo
e pensando
nestas questões
EXEXEXEXEXEXERCÍCIOS Exercícios
(Resistência, tensão e corrente)
5
0
13 Exercícios: resitência, tensão e corrente
a) A resistência do filamento da lâmpada, quando ela está
desligada.
b) A resistência do filamento da lâmpada ligada.
4. Considerando que o diâmetro do filamento de tungstênio
de uma lâmpada de 40W - 110V é cerca de 3,6 . 10-2 mm,
seu comprimento 50cm e sua resistividade é 5,6 . 10-8Ωm
a 20oC, determine:
e) Faça os mesmos cálculos dos itens c e d para a ligação
inverno, considerando que o comprimento do fio, neste
caso, é 2,8m.
f) Por que na posição inverno a água da ducha sai mais
quente?
a) Faça o esquema da ligação verão desta ducha.
b) Faça o esquema da ligação inverno.
c) Calcule a resistência elétrica na posição verão, quando
ela está desligada.
d) Calcule a resistência elétrica da ducha em funcionamento
na posição verão,
detalhe do resistor
C A B1. Um aquecedor de ambiente cuja potência é 800W é
ligado na tensão 110V.
a. qual o valor da corrente elétrica no resistor?
b. qual o valor da resitência elétrica do resistor?
c. qual deve ser o valor da resistência élétrica do resitor
para que ele tenha a mesma potência e seja ligado na
tensão 220V?
2. Numa instalação elétrica residencial não se deve colocar
fusível no fio neutro, pois se ele se queimar, é possível
que haja um aumento de tensão indesejável em certos
aparelhos. Vamos conferir? Considere o esquema:
(R
1
, R
2
,...,R
6 
 são as
resistências elétricas
de 6 lâmpadas)determine:
a) a tensão aplicada às lâmpadas, quando o fusível do fio
neutro está normal (sem queimar);
b) a tensão aplicada às duas lâmpadas de baixo, se o
fusível do fio neutro se queimar.
3. O resistor de uma ducha com a inscrição (220V -
2800W/3800W) tem o aspecto da figura. Esse resistor é
constituído de um fio de níquel-cromo de resistência
específica 1,1.10-6Ωm, 0,6 mm de diâmetro e 4 m de
comprimento, enrolado em espiral, com três pontos de
contato elétrico. No ponto A está ligado um dos fios fase
e aos pontos B e C, dependendo da posição da chave,
liga-se o outro fio fase, que estabelece as ligações inverno
verão.
5
1
8. Numa residência, geralmente, chegam três fios da rua,
dois fases e um neutro, que são ligados à chave geral.
a) Faça o esquema de uma chave geral e de três chaves
parciais, de modo a obter duas chaves de distribuição de
110V e outra de 220V.
b) Faça um esquema indicando a ligação de uma lâmpada
com interruptor, de uma tomada em 110V e de um chuveiro
em 220V.
a) a corrente exigida pelo aparelho para dissipar as
potências nominais quando o chuveiro está ligado com a
chave na posição "verão" e na posição "inverno";
b) o menor diâmetro possível do fio e o fusível que devem
ser utilizados nessa instalação. Consulte a tabela;
c) a energia consumida num banho de 15 minutos com o
chuveiro ligado na posição "inverno";
d) a porcentagem de consumo de energia em banhos de
aproximadamente 15 minutos de uma fámilia de três
pessoas, cujo consumo mensal é de 250kWh.
5. Numa rede de 220V é ligado um chuveiro com a
inscrição 220V - 2 800 / 4 400W.
Utilizando essas informações e as da tabela da aula 10,
determine:
6. Nas figuras abaixo estão indicadas as informações
encontradas nos folhetos ou chapinhas que acompanham
aparelhos elétricos.
Qual(is) dele(s) não poderia(m) ser ligado(s) à tomada de
sua casa? Se você o fizesse, quais seriam as
consequências?
7. Uma lâmpada de abajour possui a seguinte inscrição
(127V - 22W).
a) O que acontece se a ligarmos nos terminais de uma
bateria de 12V?
b) Seria possível, se dispuséssemos de muitas baterias,
ligar esta lâmpada de modo que ela tenha brilho normal?
c) Em caso afirmativo, como você faria?
d) Caso não seja possível fazer a ligação da lâmpada nas
baterias como e onde ela deveria ser ligada para ter brilho
normal?
liquidificador
110V/300W/60Hz
TV 12V/DC
 30W
chuveiro 220V 2800W/3800W
batedeira
50/60HZ
 250W
 110V
5
2
1. Uma corrente elétrica de 0,500A flui num resistor
de 10Ω . A ddp ou tensão elétrica entre as
extremidades do resistor, em volts, é igual a:
a)( ) 5,0 . 102 c)( ) 20 e)( ) 5,0 . 10-2
b)( ) 5,0 . 10 d)( ) 5,0
2. Os resistores R
1
, R
2
 e R
3
 estão associados como
indica a figura abaixo. Sabendo que R
1
 = 2,0 Ω , R
2
 =
2,0 Ω , e R
3
 = 4,0 Ω , podemos afirmar que a
resistência equivalente entre os pontos A e B em
ohms é de:
a)( ) 2,0 b)( ) 3,3 c)( ) 4,0 d)( ) 6,0 e)( )
8,0
3. Um eletricista instalou numa casa, com tensão de
120V, dez lâmpadas iguais. Terminado o serviço,
verificou que havia se enganado, colocando todas as
lâmpadas em série. Ao medir a corrente no circuito,
encontrou 5,0 . 10-2A. Corrigindo o erro, ele colocou
todas as lâmpadas em paralelo. Suponha que as
resitências das lâmpadas não variam com a corrente.
Após a modificação, ele mediu, para todas as
lâmpadas acesas, uma corrente total de:
a)( ) 5,0A b)( ) 100A
 c)( ) 12A d)( ) 10A
e)( ) 24A
teste seu vestibular
7. Uma lâmpada incandescente possui as seguintes
especificações (ou valor nominal): 120V, 60W.
a) Se ela for ligada em 220V, a potência permanecerá
60W.
b) Quando a lâmpada é ligada conforme as especificações,
a resistência vale 240Ω ,
c) A resistência na lâmpada permanece constante,
qualquer que seja a tensão a ela aplicada.
d) quando desligada, a resistência da lâmpada é maior
que quando ligada.
e) Quando ligada, conforme as especificações, a corrente
é de 2,0A.
4. A transmissão de energia elétrica à grande distância é
acompanhada de perdas causadas pela transformação de
energia elétrica em:
a.( ) calor c.( ) energia cinética
b.( )magnetismo d.( ) luz
5. Um aquecedor elétrico dissipa 240W quando ligado a
uma bateria de 12V. A corrente que percorre a resistência
é:
a.( ) 0,050 A c. ( ) 1,67 A e. ( ) 2880 A
b. ( ) 0,60 A d. ( ) 20 A
6. Um condutor é atravessado por uma corrente de 2
ampères quando a tensão em seus terminais vale 100
volts. A resistência do condutor é de:
a. ( ) 0,02Ω c.( ) 200Ω
b. ( ) 50 Ω d.( ) 400Ω
GREF - Eletricidade/eletro3.pdf
leituras de
física
GREF
versão
 preliminar
ELETROMAGNETISMO
para ler, fazer e pensar
14. Motores elétricos
15. Í mãs e bobinas
16. Campainhas e medidores elétricos
17. Força magnética e corrente elétrica
18.Força e campo magnéticos
19. Exercícios
14 a 19
Leituras de Física é uma publicação do
GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física
Instituto de Física da USP
EQUIPE DE ELABORAÇÃO DAS LEITURAS DE FÍSICA
Anna Cecília Copelli
Carlos Toscano
Dorival Rodrigues Teixeira
Isilda Sampaio Silva
Jairo Alves Pereira
João Martins
Luís Carlos de Menezes (coordenador)
Luís Paulo de Carvalho Piassi
Suely Baldin Pelaes
Wilton da Silva Dias
Yassuko Hosoume (coordenadora)
ILUSTRAÇÕES:
Fernando Chuí de Menezes
Mário Kano
GREF - Instituto de Física da USP
rua do Matão, travessa R, 187
Edifício Principal, Ala 2, sala 305
05508-900 São Paulo - SP
fone: (011) 818-7011 fax:(011) 818-7057
financiamento e apoio:
Convênio USP/MEC-FNDE
Sub-programa de educação para as Ciências (CAPES-MEC)
FAPESP / MEC - Programa Pró-Ciência
Secretaria da Educação do Estado de São Paulo - CENP
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junho de 1998
5
3
14
Motores
elétricos
Nesta aula você
vai observar internamente
um motor para
saber do que eles
são feitos
Grande parte dos aparelhos elétricos que usamos têm a função de
produzir movimento. Isso nós verificamos no início desse curso. Você
se lembra disso? Olhe a figura e refresque sua memória.
Vamos começar a entender como isso é feito!
( o que mais eles têm em comum ? )
5
4
14 Motores elétricos
Neste momento vamos retomar o levantamento e a classificação, realizados no início deste curso.
Lá, identificamos um grande número de aparelhos cuja função é a produção de movimento a partir da
eletricidade: são os motores elétricos. Dentre eles estão: batedeira, ventilador, furadeira, liquidificador,
aspirador de pó, enceradeira, espremedor de frutas, lixadeira,.., além de inúmeros brinquedos movidos
à pilha e/ou tomada, como robôs, carrinhos,..
A partir de agora, vamos examinar em detalhes o motor de um liquidificador. Um roteiro de observação
encontra-se logo abaixo.
O motor de um liqüidificador
A parte externa de um liqüidificador é geralmente de plástico, que é um material eletricamente
isolante. É no interior dessa carcaça que encontramos o motor, conforme ilustra a figura ao lado.
ROTEIRO
1. Acompanhe os fios do plugue em direção à parte interna do motor. Em qual das partes do
motor eles são ligados?
2. Gire o eixo do motor com
a mão e identifique os materiais que
se encontram na parte que gira
junto com o eixo do motor.
3. Identifique os materiais
que se encontram na parte do motor
que não gira com o eixo do motor.
4. Verifique se existe alguma
ligação elétrica entre estas duas
partes que formam o motor. De que
materiais eles são feitos?
5. Identifique no motor as
partes indicadas com as setas na
figura ao lado.
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5
Esta peça de formato cilindrico acoplada
ao eixo é denominada de anel coletor e
sobre as plaquinhas deslizam dois
carvõezinhos.
Quando o motor elétrico é colocado em
funcionamento passa e existir corrente
elétrica nas bobinas fixas e também no
circuito elétrico fixado ao eixo e que se
encontra em contato com os carvõezinhos.
Nesse momento, o circuito do eixo fica
sujeito a uma força e gira o eixo e um
outro circuito é ligado, repetindo o
procedimento anterior.
O resultado é o giro completo do eixo,
que é característico dos motores elétricos.
Em alguns casos, tais como pequenos motores elétricos
utilizados em brinquedos, por exemplo, a parte fixa é
constituída de um ou dois ímãs em vez de bobinas. Isso
não altera o princípio de funcionamento do motor uma
anel coletorímã
carvãozinho
Ápós essa investigação, pense e responda: por que surge
movimento nesses aparelhos?
eixo
carvãozinho
carvãozinho
anel
coletor
figura 2figura 1
Nos motores elétricos, encontramos duas partes principais:
uma fixa, que não se move quando ele entra em
funcionamento e uma outra que, em geral, gira em torno
de um eixo quando o motor é ligado.
A parte fixa é constituída de fios de cobre, encapados com
um material transparente formando duas bobinas (fig.1). Já
na parte fixada ao eixo, os fios de cobre são enrolados em
torno do eixo (fig.2)
.
A observação da parte móvel de um motor de liqüidificador
mostra que ela também apresenta,
acoplada ao eixo, um cilindro
metálico, formado de pequenas
placas de cobre, separadas entre
si por ranhuras, cuja função é isolar
elétricamente uma placa da
outra.O circuito elétrico da parte
móvel é formado por vários
pedaços de fio de cobre
independentes coberto de um
material isolante transparente e
cujas extremidades são ligadas às
placas de cobre.
vez que uma bobina com corrente elétrica desempenha a
mesma função de um ímã.
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atividade extra: construa você mesmo um motor elétrico
Para construir um pequeno motor elétrico vai ser
necessário 90 cm de fio de cobre esmaltado número 26
para fazer uma bobina. Ela será o eixo do motor, por isso,
deixe aproximadamente 3 cm em cada extremidade do
fio.
A bobina será apoiada em duas hastes feitas de metal,
presilhas de pasta de cartolina, por exemplo, dando-lhes
o formato indicado na figura e, posteriormente, encaixadas
num pedaço de madeira.
A fonte de energia elétrica será uma pilha comum que
será conectado à
bobina através de
dois pedaços de
fio ligados nas
presilhas.
Para colocar o motor em funcionamento, não se esqueça
que o esmalte do fio da bobina é isolante elétrico. Assim,
você deve raspá-lo para que o contato elétrico seja
possível. Além disso, em um dos lados você deve raspar
só uma parte deixando uma parte ao longo do
comprimento e não esqueça que esse motor precisa de
um 'impulso'inicial para dar a partida.
 atenção
 -veja se os contatos elétricos estão perfeitos
 -observe se a bobina pode girar livremente
 -fixe os fios de ligação na pilha com fita adesiva
Feitos estes ajustes necessários, observe:
1. o que acontece quando o ímã é retirado do local?
2. inverta a pilha e refaça as ligações. O que acontece o
sentido de giro do motor?
A parte fixa do motor será constituída de um ímã
permanente que será colocado sobre
a tábua, conforme indica a figura.
Dependendo do do ímã utilizado será
necessário usar um pequeno suporte
para aproximá-lo da bobina.
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15
Ímãs e
bobinas
Aqui você vai saber a
natureza das forças que
movimentam os ímãs,
as bússolas e os
motores elétricos
Ímãs e bobinas estão presentes nos motores elétricos e muitos
outros aparelhos. Só que eles estão na parte interna e por isso,
nem sempre nos apercebemos de sua presença.
A partir dessa aula vamos começar a entender um pouco sobre
eles. Afinal, alguém pode explicar o que está acontencendo?
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8
15 Ímãs e bobinas
No estudo dos motores elétricos pudemos verificar que eles são feitos de duas partes: uma é o eixo,
onde se encontram vários circuitos elétricos e a outra é fixa. Nesta, podemos encontrar tanto um par de
ímãs como um par de bobinas. Em ambos os tipos de motores, o princípio de funcionamento é o mesmo
e o giro do eixo é obtido quando uma corrente elétrica passa a existir nos seus circuitos. Nesta aula
vamos entender melhor a natureza da força que faz mover os motores elétricos, iniciando com uma
experiência envolvendo ímãs e bobinas.
Investigação com ímãs, bússolas e bobinas
Para realizar esta investigação será necessário uma
bússola, dois ímãs, duas pilhas comuns, uma bobina
(que é fio de cobre esmaltado enrolado) e limalha de
ferro.
ROTEIRO
1. Aproxime um ímã do outro e observe o que
acontece.
2. Aproxime um ímã
de uma bússola e
descubra os seus
pólos norte e sul.
Lembre que a agulha
da bússola é também
um ímã e que o seu
pólo norte é aquele
que aponta para a
região norte.
3.Coloque o ímã sobre uma
folha de papel e aproxime
a bússola até que sua ação
se faça sentir. Anote o
posicionamento da agulha,
desenhando sobre o papel
no local da bússola. Repita
para várias posições.
4.Coloque sobre o ímã essa folha de papel na
mesma posição anterior e espalhe sobre ela
limalha de ferro. Observe a organização das
limalhas e compare com os desenhos que
indicavam o posicionamento da agulha.
5. Ligue a bobina à pilha utilizando fios de ligação.
Aproxime um ímã e observe o que ocorre.
6. No mesmo circuito anterior, aproxime uma
folha de papel ou de cartolina contendo limalha
de ferro e verifique o que ocorre com a limalha.
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9
Independentemente da forma, quando se aproxima um
íma de outro, eles podem tanto atrairem-se como
repelirem-se. Esse comportamento é devido ao efeito
magnético que apresentam sendo mais intenso nas
proximidades das extremidades, razão pela qual elas são
denominadas de pólos magnéticos.
A possibilidade de atração ou de repulsão entre dois
pólos, indica a existência de dois tipos diferentes de pólos
magnéticos, denominados de pólo norte e pólo sul. A
atração entre os ímãs ocorre quando se aproximam dois
pólos diferentes e a repulsão ocorre
na aproximação de
dois pólos iguais.
A atração ou a repulsão entre ímãs é resultado da ação de
uma força de natureza magnética e ocorre independente
do contato entre eles, isto é, ocorre a distância. O mesmo
se pode observar na aproximação do ímã com a bússola.
Isso evidencia a existência de um campo magnético em
torno do ímã, criado por ele. A agulha de uma bússola,
que é imantada, tem
sensibilidade de detectar
campos magnéticos
criados por ímãs e, por
isso, alteram sua posição
inicial para se alinhar ao
campo magnético
detectado. Ela é usada
para orientação justamente
pelo fato de que sua
agulha, fica alinhada ao
campo magnético
terrestre que apresenta
praticamente a direção
norte-sul geográfica.
A diferença em relação
ao ímã é que no fio, o
campo magnético
deixa de existir quando
a corrente elétrica
cessa.
duas bobinas com corrente. Esses movimentos
acontencem devido a uma ação a distância entre eles. Da
mesma forma que a agulha da bússola se move quando
"sente" o campo magnético de um ímã, o eixo do motor
também se move quando um dos seus circuitos que está
com corrente "sente" o campo magnetico criado pela parte
fixa do motor. Este campo, tanto pode ser criado por um
par de ímãs (motor do carrinho do autorama) como um
par de bobinas com corrente elétrica (motor de um
liquidificador).
O mapeamento do campo
magnético produzido por um ímã
nas suas proximidades pode ser
feito com o auxílio de uma
bússola. Esse mapa nos permite
"visualizar" o campo magnético.
Não são apenas os ímãs que
criam campo magnético. O fio
metálico com corrente elétrica,
também cria ao seu redor um
campo magnético. Quando o fio
é enrolado e forma uma bobina,
existindo corrente elétrica, o
campo magnético tem um
mapeamento semelhante ao de um ímã em barra.
Isso nos permite entender porque
a limalha de ferro, fica com um
aspecto muito parecido quando é
colocada nas proximidades de um
pólo de um ímã e nas
proximidades de uma
bobina.Podemos agora entender
fisicamente a origem
do movimento nos motores
elétricos. Ele é entendido da
mesma maneira que se compreende a repulsão ou a
atração entre dois ímãs, entre um ímã e uma bússola,
entre um ímã e uma bobina com corrente ou entre
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0
exercitando ...
3. Se imaginássemos que o magnetismo terrestre é produzido por um grande ímã cilíndrico, colocado na mesma
direção dos pólos geográficos norte-sul, como seriam a linhas do campo magnético? Faça uma figura.
4. Imagine agora que o campo magnético da Terra fosse criado por uma corrente elétrica em uma bobina, onde ela
estaria localizada para que as linhas do campo magnético coincidissem com as do ímã do exercício anterior?
teste seu vestibular
1.Uma pequena bússola é colocada próxima de um ímã permanente. Em quais posições assinaladas na figura a
extremidade norte da agulha apontará para o alto da página?
2.Uma agulha magnética tende a:
a. orientar-se segundo a perpendicular às linhas de
campo magnético local.
b. orientar-se segundo a direção das linhas do campo
magnético local.
c. efetuar uma rotação que tem por efeito o campo
magnético local.
d. formar ângulos de 45 graus com a direção do campo
magnético local.
e. formar âmgulos, não nulos, de inclinação e de declinação
como a direção do campo mangético local.
1. Analise a afirmação abaixo se ela é verdadeira ou falsa e justifique:
" O movimento da agulha de uma bússola diante de um ímã é explicado da mesma forma que o movimento de um ímã
frente a um outro ímã."
2. A agulha de uma bússola próxima a um fio que é
parte de um circuito elétrico, apresenta o comportamento
 indicado nas três figuras:
a.como se explica o posicionamento da agulha na figura 1 ?
b. como se explica a alteração da posição da agulha após o circuito ser fechado na figura 2 ?
c. analisando as figuras 2 e 3 é possível estabelecer uma relação entre o posicionamento da agulha e o sentido da
corrente elétrica na fio?
figura 1 figura 2 figura 3
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16
Campainhas e
medidores elétricos
Vamos descobrir como é
produzido o som numa
campainha e como se
movem os ponteiros dos
medidores
Sinal de entrada, sinal de saída, sinal do intervalo, ...,
haja orelha. Você também faz parte dos que dançam
como aqueles ponteirinhos?
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2
16 Campainhas e medidores elétricos
CAMPAINHA
Existem vários tipos de campainha e você pode
construir uma usando fio de cobre 26 enrolado em um
prego grande. Além disso é necessário fixar no prego
uma tira de latão dobrada conforme indica a figura.
A campainha montada terá o aspecto da figura ilustrada
a seguir.
Conectando os terminais da bobina a duas pilhas
ligadas em série, podemos colocar a campainha em
funcionamento. Observe o que acontece e tente
explicar.
A montagem realizada assemelha-se à campainha do tipo
cigarra, que é de mais simples construção. Ela é constituída
por uma bobina contendo um pedaço de ferro no seu
interior. Esse conjunto é denominado por eletroímã.
lâmina
eletroímã
Próximo a ele existe uma lâmina de ferro, que é atraído
quando existe uma corrente elétrica na bobina.Essa
atração acontece porque a corrente elétrica na bobina
cria um campo magnético na região próxima e imanta o
ferro transformando-o em um ímã. Essa imantação existe
apenas enquanto houver corrente elétrica na bobina.Daí
esse conjunto ser entendido como um ímã elétrico.
Esse efeito magnético desaparece quando a campainha é
desligada, deixando de haver corrente elétrica na bobina.
A produção de movimento a partir da eletricidade tem, além dos motores
elétricos, outras aplicações como as campainhas e os medidores elétricos
que utilizam ponteiros. Comecemos pela campainha.
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3
GALVANôMETRO
Para se construir um dispositivo capaz de movimentar um ponteiro, precisamos de uma bobina, um
ímã pequeno em forma de barra, uma agulha de costura ou um arame fino e fita adesiva. Se não
houver disponível uma bobina pronta, construa uma usando fio de cobre esmaltado 26 enrolado em
um tubo de papelão com 4 cm de diâmetro ou use o mesmo fio da campainha.
A produção de movimento nos medidores elétricos que
utilizam ponteiro tem explicação semelhante a dos
motores elétricos. O que difere um do outro é que nos
motores a construção permite que o eixo dê voltas
completas e isso não acontece nos medidores. A bobina,
quando está com corrente elétrica cria um campo magnético
na região onde se encontra o ímã. Este, da mesma forma
que a agulha magnética de uma bússola, "sente" este campo
e procura se alinhar a ele.
O ponteiro pode ser feito com um pedaço de cartolina e fixado ao ímã com
fita adesiva. Ele será atravessado pela agulha ou arame, conforme indica a
figura ao lado.
O conjunto móvel ponteiro + ímã será apoiado, através do eixo, em um
suporte feito de chapa de alumínio ou cobre, com dois furinhos para a
passagem da agulha ou arame.
Fixado a uma base de madeira, e ligando os terminais da bobina a uma ou
duas pilhas, o medidor será o ilustrado na figura ao lado.
Dessa forma, o ímã se move
e com ele o ponteiro. Devido
à posição do ímã em relação
a bobina o movimento é de
rotação como no motor
elétrico. Nos medidores reais
é a bobina que é fixada ao
eixo e os ímãs estão fixadas
na carcaça do medidor.
Os medidores elétricos que utilizam ponteiro são utilizados para várias finalidades diferentes,
como indicar o volume de som, o nível de combustível nos veículos e a temperatura dos seus
motores, além de medir a corrente, a tensão e também a resistência elétrica. Vejamos através da
atividade a seguir, como é obtido o movimento dos ponteiros.
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4
Medidores de corrente, tensão e resistência elétrica
 Amperímetro Voltímetro Ohmímetro
O voltímetro é o medidor de tensão elétrica.
Ele é constituído das mesmas partes do
amperímetro: um galvanômetro e um resistor
ligado em série com a bobina.
Para medir a resistência elétrica de um resistor o
ohmímetro precisa de um galvanômetro, um
resistor ligado em série com a bobina e uma
bateria.
1. galvanômetro
2. resistor
3. pilha ou bateria
4. terminais
Esta bateria permitirá que uma corrente elétrica
passe a existir
quando o circuito estiver fechado.
Quanto maior a resistência elétrica do resistor
cuja resistência deseja-se medir, menor será a
corrente no circuito e, assim, menor será o
movimento do ponteiro.
1.galvanômetro; 2.resistor; 3.terminais
O voltímetro é colocado em paralelo ao circuito
cuja tensão se deseja medir e, por isso, a
resistência elétrica do seu resistor deve ter um
valor relativamente alto: apenas o suficiente para
movimentar o ponteiro. Além disso, desviando
uma corrente de pequena intensidade do
circuito, a sua interferência pode ser considera
desprezível.
O medidor de corrente elétrica, denominado
amperímetro, é constituído por um galvanômetro
e um resistor em paralelo à bobina.
1. galvanômetro; 2. resistor; 3. terminais
Uma vez que o amperímetro é colocado em série
ao circuito cuja corrente se deseja medir, esse
resistor deve ter uma baixa resistência elétrica.
Desse modo, a maior parte da corrente elétrica
é desviada para o resistor e a parte restante passa
pela bobina, movendo o ponteiro. Quanto maior
a corrente que passa pela bobina, maior será o
giro descrito pelo ponteiro.
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17
Força magnética e
corrente elétrica
Nesta aula você vai
saber como e'explicada
a origem da força que
move os motores,
campainhas e
galvanômetros
Movimentar ar e produzir vento quente ou frio, mover rodas,
mexer ponteiros, rodar pás, misturar massas, lixar, fazer
furos,...,. Pegue uma cadeira, sente-se e vire a página. Você vai
conhecer como que o funcionamento destas coisas é explicado.
Chegou a hora!
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17 Força magnética e corrente elétrica
A partir desse momento há interação entre o ímã e a bobina
com corrente, isto é, cada um "sente" o campo magnético
criado pelo outro. Isso significa que cada um deles fica
sujeito a uma força cuja natureza é magnética.
Como somente o que está fixado ao eixo tem mobilidade
para se mover, no caso do motor do carrinho, é a bobina
junto com o eixo que gira. E esse movimento é efeito da
ação da força magnética sobre a bobina.
2. No galvanômetro como o montado na aula 16, bobina
era fixada à base e o ímã colocado junto ao ponteiro e
ambos fixados ao eixo.
bobina
 elétrica nela, tem início a interação entre eles.
Ambos ficam sujeitos a uma força de natureza magnética e
como a bobina está fixada ela não se move. Já o ímã entra
em movimento e como ele está preso ao eixo, ele gira.
Comparando-se o princípio de funcionamento do
motorzinho do carrinho e do galvanômetro, podemos
perceber que tanto o ímã como a bobina com corrente
podem entrar em movimento quando estão próximos um
do outro. Nos dois casos, é a ação da força magnética que
os movimenta.
O ímã já criava um campo magnético na região onde se
encontra a bobina e a partir do momento em que há
corrente
Quando o circuito é fechado uma corrente passa a existir
na bobina, criando um outro campo mangnético na região
onde encontra-se o ímã.
eixoímã
contatos
pilhasímã
bobina
Nas aulas anteriores estudamos o princípio de
funcionamento dos motores elétricos, da campainha e do
galvanômetro. Em todos eles está presente o efeito
magnético da corrente elétrica. Vejamos agora com mais
detalhes, o conteúdo físico envolvido.
O giro do eixo dos motores elétricos e também o do
ponteiro do galvanômetro indica uma interação entre uma
bobina com um ímã ou entre uma bobina com uma outra
bobina, dependendo das partes de que eles são feitos.
Essa interação decorre do fato de que tanto um ímã como
uma bobina com corrente elétrica criam no espaço ao redor
um campo magnético. Em razão disso, a interação entre
eles, que torna possível a obtenção do movimento, se dá
ainda que não haja contato. Do mesmo modo podemos
entender a atração ou a repulsão observada entre dois
ímãs.
interação bobina-ímã
1. Quando em um motorzinho de brinquedo, encontramos
um ímã fixado à carcaça do motor e uma bobina fixada ao
eixo, o primeiro cria campo magnético na região onde se
encontra a bobina.
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interação bobina-bobina
Nos liqüidificadores, furadeiras, batedeiras,.., os motores
elétricos não apresentam ímãs, conforme verificamos na
aula 14. Em seu lugar e desempenhando a mesma função
encontramos bobinas tanto no eixo como fora dele.
contatos
bobina
bobina
carcaça
Quando um motor desse tipo é colocado em funcionamento
passa a existir corrente elétrica nas bobinas presas à carcaça
e também em uma das bobinas fixas no eixo. Cada uma
delas cria na região um campo magnético. As duas primeiras
têm a função de criar um campo magnético na região onde
se encontra o eixo. A bobina com corrente fixada ao eixo
vai "sentir" esse campo magnético, isto é, sobre ela vai
atuar a força magnética e por isso ela gira junto com o
eixo.
Para visualizar podemos imaginar que cada uma destas
bobinas tem apenas uma volta, conforme ilustra a figura.
 1. bobinas fixas na
 carcaça
 2. bobina fixa ao eixo
 3. linhas do campo
 magnético criado
 pelas bobinas fixas
Veja com o auxílio da figura que a corrente elétrica na
bobina fixada ao eixo fica sujeita a um par de forças
magnéticas e, por isso faz o giro do eixo. Se houvesse
apenas essa bobina, o giro não seria completo pois as forças
não moveriam a bobina quando elas tivessem a mesma
direção do campo magnético. É por isso que existem várias
bobinas em vez de uma só, no eixo do motor.No momento
certo uma delas é ligada, passa a ter corrente elétrica e a
força magnética gira a bobina. Posteriormente ela é
desligada e uma outra é ligada e recebe a força. Desse
modo o giro contínuo é obtido.
Em conclusão, através do funcionamento do motor feito
apenas com bobinas tanto na parte fixa como no eixo,
podemos ressaltar que duas bobinas com corrente elétrica
interagem, isto é, ambas criam campo magnético e cada
uma delas "sente" o campo da outra.
Note que a força magnética
é perpendicular à corrente
no fio e também ao campo
magnético criado pelas
bobinas fixas (1)
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3
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exercitando...
1. Identifique quem "sente" o campo magnético e entra
em movimento nos seguintes aparelhos:
a. galvanômetro
b. liqüidificador
c. motor do carrinho de autorama
2. Analise as afirmações abaixo dizendo se são
verdadeiras ou falsas e justifique sua resposta:
a." A obtenção de movimento a partir da eletricidade,
só pode ser feita se o ímã for colocado na parte fixa e a
bobina na parte móvel, uma vez que só ela pode sentir
o campo magnético criado por ele".
b. "Dois fios com corrente elétrica paralelos entre si ficam
sujeitos a forças magnéticas".
c. "No momento em que a bobina presa ao eixo é
desligada, o campo magnético criado por ela não deixa
de existir".
d."A explicação do funcionamento de um motor que
contém apenas bobinas é diferente dos motores que
tem ímãs e bobinas".
3. Resolva o teste: A corrente elétrica que passa por
um fio metálico, condutor:
a. só produz campo magnético;
b. só produz campo magnético no interior do fio;
c. apresenta no condutor o efeito Joule e produz um
campo magnético ao redor do fio;
d. produz campo magnético somente se a corrente for
variável
A força magnética tem um sentido que é sempre
perpendicular ao plano formado pela corrente elétrica e
pelo campo magnético. Podemos descobrir
sua direção
e sentido
usando a
m ã o
esquerda
disposta
conforme
a figura.
Veja que o dedo médio indica o sentido da corrente
elétrica, o dedo indicador o campo magnético e o dedo
polegar o sentido da força magnética. Desse modo,
"armando" a mão desse jeito, de preferência sem deixarem
que o vejam nesta situação para que não pairem suspeitas
sobre você, pode-se descobrir o sentido da força
magnética.
Treine o uso da mão descobrindo a força magnética nas
situações abaixo:
a. força sobre um fio com corrente elétrica para a direita
e campo magnético entrando no plano do papel.(fig.1)
b. força sobre um fio com corrente elétrica para a esquerda
e campo magnético saindo do plano do papel (fig.2)
 O SENTIDO DA FORÇA MAGNÉTICA
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18
Força e
campo magnéticos
Como se calcula a
força magnética e
como se explica a
origem do campo
magnético você vai
aprender
nesta aula.
 Atualmente podemos deixar de realizar manualmente uma série
de trabalhos no dia-a-dia: picar, mexer, moer, lustrar, furar,
girar, torcer, fatiar, ,,, . Advinha quem é que dá aquela força?
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18 Força e campo magnéticos
O cálculo da força magnética
A produção de movimento a partir da eletricidade nos
motores elétricos, campainhas, galvanômetros,..,envolve
o surgimento de um campo magnético numa certa região
e a existência de um fio condutor com corrente elétrica
colocado nessa mesma região. Nessa situação, o fio com
corrente fica sujeito a uma força magnética e entra em
movimento.
Note que o surgimento da força depende da existência
do campo magnético e da corrente elétrica. Esse campo
magnético não é o criado por essa corrente elétrica no
fio em que a força atua. Ela não "sente" o próprio campo
mangético mas o campo criado por outro.
Além disso, a intensidade da força magnética depende
do valor do campo e da corrente:
 i B F
i B F
Ela só vale quando o campo magnético faz um ângulo de
90o com a corrente elétrica no fio.
Vejamos a sua utilização em um exemplo bastante simples
o de dois trechos de fios paralelos com corrente elétrica
de mesmo valor e sentido, conforme ilustra a figura.
Cada corrente cria um campo mangético ao seu redor e
uma sente o campo criado pela outra. O resultado é que
os dois trechos de fio ficam sujeitos a uma força magnética.
Supondo que o valor da corrente elétrica nos fios seja 2A,
o campo onde cada fio se encontra vale 5.10 -7 N/A.m e
que o trecho de fio tenha 10m de comprimento, o valor
da força será: F= B.i.L = 5.10 -7 .2.10 = 100.10 -7 =1.10-5N.
A força magnética em cada fio é perpendicular à corrente
e ao campo magnético. Nesse caso em que as corentes
têm mesmo sentido, as forças fazem os fios atrairem-se.
Se a força é medida em
newton, a corrente em
ampère, e o comprimento
do fio em metros, qual é
a unidade do campo
magnético?
Responda essa !
 F proporcional a i
 F proporcional a B
Se as correntes elétricas nos fios tiverem sentidos opostos,
as forças magnéticas farão os fios repelirem-se.
Ou seja, a força magnética é diretamente proporcional à
corrente elétrica e ao campo magnético.Além disso, influi
também o tamanho do trecho do fio que está no campo
mangético.
A expressão matemática que relaciona o valor da força
com o do campo e da corrente é:
 F= B. i. L
F é a força mangética
B é o campo magnético
i é a corrente elétrica
L é o trecho do fio
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A atração ou a repulsão entre dois fios paralelos que tenham
corrente elétrica elétrica tem a mesma natureza das atrações
e repulsões entre ímãs. Isso porque ambos, fio com corrente
elétrica e ímãs criam campo magnético no espaço ao redor.
Se no caso dos fios e bobinas está claro que a origem do
campo magnético é atribuída à corrente elétrica, como se
explica a origem do campo magnético nos ímãs?
 A origem do campo magnético
 nos ímãs
O campo magnético criado pelos ímãs, ainda que possa
parecer estranho, também se deve às correntes elétricas
existentes no seu interior ao nível atômico. Elas estão
associadas aos movimentos dos elétrons no interior dos
átomos. Apesar de estarem presentes em todos os
materiais, nos ímãs o efeito global dessas correntes atômicas
não é zero e corresponde a uma corrente sobre a sua
superfície, conforme ilustra a figura.
Assim, podemos pensar que o campo magnético criado
pelo ímã deve-se à correntes elétrica em sua superfície.
Em conseqüência, o ímã com formato em cilíndrico pode
ser considerado como análogo a uma bobina com corrente
elétrica no fio.
É possível separar os pólos
de um ímã?
Poderíamos pensar em conseguir essa separação
quebrando-se um ímã ao meio. Se fizermos isso, veremos
que cada pedaço forma dois ímãs novos com os dois pólos
norte e sul.
Embora com menor intensidade, os dois novos ímãs têm
pólo norte e sul, o que indica não podemos separá-los.
Isso continuará a acontecer se o processo de quebra for
adiante.
O mesmo também acontece quando o campo magnético
é criado por uma corrente elétrica na bobina: se formos
dinuindo o número de voltas de fio na bobina, haverá
sempre a formação dos dois pólos. Além disso, nos dois
casos, as linhas do campo magnético são linhas fechadas.
Essa semelhança no efeito magnético dos ímãs e das bobinas
é explicada pela idêntica origem do campo magnético:
em ambos, tal campo é devido a correntes elétricas.
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exercitando...
1. Calcule a força magnética que age sobre um fio de
0,5 m de comprimento que se encontra num campo
magnético cujo valor é 0,5.10-2 N/A.m quando:
a. a corrente elétrica vale 0,2 A e o fio está perpendicular
ao campo;
b. a corrente é nula.
2. Em um fio condutor de 2,5 m de comprimento, há
uma corrente elétrica de 1,5A e age uma força magnética
de 2,0.10-5 N. Supondo que o ângulo entre o fio e o
campo magnético é 90o, calcule a sua intensidade.
3. Qual o valor da corrente elétrica que existe num fio
de 1,5 m de comprimento que se encontra numa região
cujo campo magnético vale 10-3 N/A.m e sofre uma força
de 10-2N. Considere 90o o ângulo entre a corrente e o
campo.
4. Como é explicada a origem do campo magnético
nos ímãs?
5.Analise as afirmações abaixo e diga se são verdeiras
ou falsas.
a. o campo magnético produzido por bobinas deve-se
à corrente elétrica em seus fios;
b. o fato das linhas do campo magnético serem fechadas
está relacionado com o fato de não ser possível separar
os pólos magnéticos norte e sul.
c. a intensidade da força magnética sobre um fio só
depende diretamente da corrente elétrica no fio.
d. quando dois fios paralelos têm corrente elétrica de
sentidos opostos, eles são repelidos devido a ação da
força elétrica entre eles.
1.Dentre os aparelhos ou dispositivos elétricos abaixo, é
uma aplicação prática do eletromagnetismo:
a. a lâmpada b. o chuveiro c. a campainha
d. a torradeira e. o ferro de passar
2. Condiderando-se que a Terra se comporta como um
gigantesco ímã, afirma-se que:
I. o pólo norte geográfico da Terra é o pólo sul magnético;
II. os pólos magnéticos e geográficos da Terra são
absolutamente coincidentes;
III. uma agulha imantada aponta seu pólo sul para o pólo
norte magnético da Terra.
Assinale a alternativa correta:
a. as afirmativas I e II são verdadeiras;
b. as afirmativas I e III são verdadeiras;
c. as afirmativas I, II e III são verdadeiras;
d. apenas a afirmativa II é verdadeira;
e. apenas a afirmativa III é verdadeira;
3. Sabemos que os ímãs produzem, em torno de si, um
certo campo magnético. Sabemos ainda que os ímãs
possuem dois pólos: um pólo norte e um pólo sul. Se
dividirmos um ímã ao meio, podemos dizer que:
a. os pólos do ímã serão separados;
b. por mais que se divida um ímã ele conservará seus
pólos;
c. não se pode dividir um ímã;
d. as alternativas a e b estão corretas.
teste seu vestibular
7
3
19
EXEXEXEXEXEXERCÍCIOS
É hora de fazer uma revisão
e também de aprender a
fazer o cálculo do campo
magnético produzido pela
corrente elétrica em
algumas situações.
Exercícios
(Ímãs e motores elétricos)
7
4
03 Exercícios: ímãs e motores elétricos
1. Quando aproximamos uma bússola de um fio que circula
uma corrente, a agulha da bússola pode sofrer uma deflexão
ou pode não sofrer deflexão. Explique.
2. Um fio condutor de eletricidade está embutido em uma
parede. Uma pessoa deseja saber se existe, ou não, uma
corrente contínua passando pelo fio. Explique como ele
poderá verificar este fato usando uma agulha magnética.
3. Na figura é representada algumas linhas do campo
magnético terrestre. Indique, através de setas, o sentido
destas linhas e, responda: no pólo norte geográfico elas
estão "entrando" ou "saíndo" da superfície da Terra?
Explique.
a) Dos pontos M, P, Q e R, qual deles indica o sentido do
norte geográfico?
b) Observe os pontos A e B indicados na bússola e diga
qual deles é o pólo norte e qual é o pólo sul da agulha
magnética.
9. Qual é a finalidade de um núcleo de ferro no eletroímã
de uma campainha?
10. Num motor de liqüidificador, o fio do enrolamento do
estator é visivelmente mais grosso do que o do rotor. Qual
a explicação para esse fato?
4. Sabe-se que o Sol mostrado na figura deste exercício,
está nascendo, responda:
5. Sabe-se que a Lua, ao contrário da Terra, não possui um
campo magnético. Sendo assim, poderia um astronauta se
orientar em nosso satélite usando uma bússola comum?
Explique.
6 .Alguns galvanômetros possuem uma escala cujo zero é
central. Seu ponteiro pode sofrer deflexão para a direita e
para a esquerda do zero dependendo do sentido da
corrente. Como se explica seu funcionamento?
7. A figura representa um fio com corrente e o seu sentido.
Indique o sentido do campo magnético nos pontos A e B.
8. Faça uma descrição de uma campainha do tipo cigarra e
explique seu funcionamento com base nos seus
conhecimentos de eletromagnetismo. Se quiser faça um
desenho
7
5
11. Um fio retilíneo muito longo, situado num meio de
permeabiliade absoluta µ = 4 π . 10-7 Tm/A, é percorrido
por uma corrente elétrica de intensidade i = 5,0A.
Considerando o fio no plano do papel, caracterizar o vetor
indução magnética no ponto P, situado nesse plano.
12. A espira condutora circular
esquematizada tem raio 2 π cm,
sendo percorrida pela corrente
de intensidade 8,0A no sentido
indicado. Calcule o valor do
campo magnético no seu
centro.
13. Uma bobina é formada de 40 espiras circulares de raio
0,1m. Sabendo que as espiras são percorridas por uma
corrente de 8 A, determine a intesnidade do vetor indução
magnética no seu centro.
14. Um solenóide é constituído de 600 espiras iguais,
enroladas em 10cm. Sabendo que o solenóide é percorrido
por uma corrente de 0,2A, determine a intensidade do
vetor indução magnética no seu interior.
15. Determine a intensidade do campo magnético no ponto
P indicado na figura.
16. Dois fios retos e paralelos são percorridos pelas correntes
com intensidades i, conforme a figura.
a) Desenhe o campo magnético que a corrente (1) causa
no fio (2) e vice versa.
b) calcule o valor do campo magnético no local onde se
encontra cada fio.
17. Explique, com suas palavras, como origina o campo
magnético de um ímã.
Campo magnético no interior
de um solenóide
No interior do solenóide, o
vetor indução magnética 
ρ
B
tem as seguintes características:
a) direção: do eixo do solenóide.
b) sentido: determinado pela
regra da mão direita.
c) intensidade: B = µ . N
λ
. i
Cálculo do campo magnético criado por corrente elétrica
Campo magnético de um
de fio condutor reto
O vetor indução magnética
ρ
B num ponto P, à distância r
do fio, tem as seguintes
características:
a) direção: tangente à linha
de indução que passa pelo
ponto P.
b) sentido: determinado pela
regra da mão direita.
c) intensidade:
B = 
µ
π2
.
i
r
Vamos aprender a calcular o campo magnético em três situações:
Campo magnético no centro
de uma espira circular
O vetor indução magnética 
ρ
B
no centro de uma espira tem as
seguintes características:
a) direção: perpendicular ao
plano da espira
b) sentido: determinado pela
regra da mão direita
c) intensidade: B = µ
2
.
i
R
Para N voltas,
B = N . µ
2
.
i
R
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6
 Teste seu vestibular...
1. Sáo dadas três barras de metal aparentemente
idênticas: AB, CD e EF. Sabe-se que podem estar ou
não imantatadas, formando, então, ímãs retos. Verifica-
se, experimentalmente, que:
- a extremidade A atrai as extremidades C e D;
- a extremidade B atrai as extremidades C e D;
- a extremidade A atrai a extremidade E e repele a F.
Pode-se concluir que:
a)( ) a barra AB não está imantada.
b)( ) a barra CD está imantada.
c)( ) A extremidade E repele as extremidades A e B.
d)( ) a extremidade E atrai as extremidades C e D.
e)( ) a extremidade F atrai a extremidade C e repele a
extremidade D.
2. Nos pontos internos de um longo solenóide percorrido
por corrente elétrica contínua, as linhas de indução do
campo magnético são:
a)( ) radiais com origem no eixo do solenóide.
b)( ) circunferências concêntricas.
c)( ) retas paralelas ao eixo do solenóidee.
d)( ) hélices cilíndricas.
e)( ) não há linhas de indução, pois o campo magnético
é nulo no interior do solenóide.
3. Um solenóide de 5cm de comprimento apresenta 20
mil espiras por metro. Sendo percorrido por uma corrente
de 3 A, qual é a intensidade do vetor indução magnética
em seu interior? (dado: µ = 4 π . 10-7T . m/A)
a)( ) 0,48T d)( ) 3,0 . 10-12T
b)( ) 4,8 . 10-3T e)( ) n.d.a
c)( ) 2,4 . 10-2T
6. Um pedaço de ferro é posto nas proximidades de um
ímã, conforme a figura ao lado. Qual é a única afirmação
correta relativa à situação em apreço?
a)( ) É o ímã que atrai o ferro.
b)( ) É o ferro que atrai o ímã.
c)( ) A atração do ferro pelo ímã é mais intensa que a
atração do ímã pelo ferro.
d)( ) A atração do ímã pelo ferro é mais intensa do que a
atração do ferro pelo ímã.
e)( ) A atração do ferro pelo ímã é igual a atração do ímã
pelo ferro.
7. Quando um ímã em forma de barra é partido ao meio
observa-se que:
a)( ) separamos o pólo Norte do pólo Sul.
b)( ) obtemos ímãs unipolares.
c)( ) damos origem a dois novos ímãs.
d)( ) os corpos não mais possuem a propriedade
 magnética.
e)( ) n.d.a.
a)( ) c)( ) e)( )
b)( ) d)( )
5. Considerando o elétron, em um átomo de hidrogênio,
como sendo uma massa puntual, girando no plano da folha
em uma órbita circular, como mostra a figura, o vetor campo
magnético criado no centro do círculo por esse elétron é
representado por:
GREF - Eletricidade/eletro4.pdf
leituras de
física
GREF
versão
 preliminar
ELETROMAGNETISMO
para ler, fazer e pensar
20. Usinas geradoras de eletricidade
21. Dínamo de bicicleta
22.Transformadores no circuito
23. A corrente elétrica vista por dentro
24. Fumaça, cheiros e campos
25. Exercícios
26. Pilhas e baterias
27. Força e campo elétrico
28. A interação elétrica e seu papel
29. Exercícios
20 a 29
Leituras de Física é uma publicação do
GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física
Instituto de Física da USP
EQUIPE DE ELABORAÇÃO DAS LEITURAS DE FÍSICA
Anna Cecília Copelli
Carlos Toscano
Dorival Rodrigues Teixeira
Isilda Sampaio Silva
Jairo Alves Pereira
João Martins
Luís Carlos de Menezes (coordenador)
Luís Paulo de Carvalho Piassi
Suely Baldin Pelaes
Wilton da Silva Dias
Yassuko Hosoume (coordenadora)
ILUSTRAÇÕES:
Fernando Chuí de Menezes
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junho de 1998
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7
20
Usinas geradoras
de eletricidade
Vamos conhecer os
processos pelos quais
diferentes formas de
energia podem ser
transformadas em
energia elétrica
Acende-apaga; liga-desliga; .. .
Quantas fontes de energia elétrica você
já utilizou hoje?
7
8
20 A produção de energia elétrica
Todos os aparelhos
capazes de transformar
alguma energia em
energia elétrica são
classificados como
fontes de energia
elétrica.
As turbinas podem também ser
movimentadas por vapor d'água a
alta pressão. Nesse caso, as usinas
são termoelétricas ou nucleares.
Nas termoelétricas, o vapor d'água, é
obtido através do aquecimento de água
em caldeiras, pela queima de carvão,
óleo, derivados de petróleo. Já nas usinas
nucleares, o vapor dágua é obtido através
da fissão do urânio.
Além dos geradores de eletricidade das usinas, temos também
os alternadores e os dinámos de automóveis que têm o mesmo
princípio de funcionamento. A diferença se dá na
maneira como
é obtida a rotação do eixo do gerador: através da explosão do
combustível no cilindro do motor.
A maior parte da energia elétrica utilizada no Brasil provém
de usinas hidroelétricas. Nessas usinas a água é represada
por meio de barragens, que têm a finalidade de
proporcionar um desnível de água capaz de movimentar
enormes turbinas. As turbinas são formadas por conjuntos
de pás ligadas ao eixo do gerador de eletricidade, que é
posto a girar com a passagem da água.
Outra forma de utilização de energia elétrica é através do
processo de separação de cargas. Um exemplo bastante
típico desses geradores é a pilha e também nas baterias
comumente utilizadas em rádios, brinquedos, lanternas,
relógios, etc.
Nesses sistemas uma reação química faz com que cargas
elétricas sejam concentradas em certas regiões chamadas
pólos. Assim obtém-se os pólos positivos (onde se
concentram íons com falta de elétrons) e os pólos negativos
(onde os íons tem elétrons em excesso). Através desses
pólos, tem-se a tensão elétrica que permite o
estabelecimento da corrente elétrica quando um circuito
ligado a eles é fechado.
Além da reação química, existem outras formas de se
promover a separação de cargas. Nas portas automáticas
e sistemas de segurança, a separação de cargas é
produzida pela incidência de luz sobre material
fotossensível. O resultado é a corrente elétrica num circuito.
7
9
 Nas máquinas fotográficas totalmente automáticas, uma
célula fotossensível regula a abertura do diafragma e o
tempo de exposição ao filme. Em outras máquinas não
automáticas, o medidor de luminosidade é um aparelho
chamado fotômetro. A luz incidente na célula que tem
duas camadas de material condutor separados por uma
película de selênio ou cádmio cria uma tensão proporcional
à intensidade de luz e a corrente obtida muda a posição
do ponteiro do galvanômetro.
Através da diferença de temperatura também se pode
provocar a separação de cargas em alguns materiais. Esse
efeito é utilizado para medir a temperatura nos automóveis
quando as extremidades de dois metais diferentes entram
em contato e são submetidas a distintas temperaturas: um
ligado ao motor outro a carcaça.
É possível, também, produzir separação de cargas por meio
do atrito entre certas espécies de materiais, Esse processo
de separação de cargas pode ser observado em muitas
situações do cotidiano.
Os raios que aparecem durante as tempestades são grandes
movimentos de cargas elétricas da Terra para as nuvens ou
das nuvens para a Terra. Essas grandes quantidades de
cargas nas nuvens são produzidas por atrito das gotículas
de água com o ar.
Já no acendedor de fogão sem fio a separação de cargas
ocorre ao pressionarmos um cristal. Este é denominado
efeito piezoelétrico que também está presente no
funcionamento de alguns tipos de agulhas de toca-discos
e de microfones de cristal.
Enquanto a correia é movimentada
pelo motor elétrico um pente metálico
ligado a uma fonte de alta tensão
transfere cargas elétricas para ela.
Estas são transportadas até o interior
da esfera metálica e transferidas para
ela através de um contato metálico.
Assim, as cargas elétricas vão sendo
acumuladas em sua superfície externa,
atingindo milhares de volts.
Quando esvaziamos um saco plástico
contendo arroz é muito comum acontecer
de alguns grãos permanecerem
grudados na parte interna do saco,
mesmo quando este é totalmente virado
para baixo e chacoalhado. Isto acontece
porque esses grãos ao serem atritados
com o plástico, durante o esvaziamento,
ficam eletrizados e por isso são atraídos.
A separação de cargas por atrito é
bastante fácil de ser efetuada. Basta, por
exemplo, esfregar um objeto plástico, tal
como uma régua ou uma caneta
esferográfica, em papel ou numa blusa
de lã. Quando aproximamos a região
atritada a pequenos pedaços de papel,
aos pêlos do braço ou cabelos, notamos
que eles se atraem.
Em muitos laborátórios didáticos de
demonstração é comum encontrarmos
um aparelho que separa cargas
elétricas por atrito com grande
eficiência: o gerador de Van de Graaff.
8
0
exercitando ...
1. Quais as fontes de energia que você conhece? No Brasil,
qual é a mais utilizada? Por que?
 Rapidinhas
1. A maior usina hidroelétrica do mundo está no Brasil,
localizada no rio Paraná. Tem 18 turbinas que em
operação são capazes de gerar 13.320.000.000 Watt
de energia elétrica. Sua construção teve como
consequência a inundação de uma área enorme para
acúmulo de água, o que torna muito discutível a
construção de grandes usinas e o impacto ambiental
provocado.
2. A construção das usinas nucleares utilizadas para
geração de energia elétrica, foi uma maneira de manter
em atividade a indústria dos artefatos nucleares. A
entrada do Brasil na chamada era nuclear, comprando
usinas de uma empresa americana - a Westinghouse -
foi muito polêmica, uma vez que sua necessidade para
o país era questionada. Localizada em Angra dos Reis,
no Rio de Janeiro, sua construção teve início em 1972 e
começou a operar somente em 1985. Tendo como
característica o fato de interromper o seu funcionamento
- 30 vezes somente nos primeiros 6 anos - é conhecida
como "vaga-lume".
3. Até o acidente na usina de Chernobyl na Ucrânia em
1986,era voz corrente que uma usina nuclear jamais
podia explodir: "As chances de fusão de um núcleo são
de uma a cada 10.000 anos. As usinas são dotadas de
controle seguros e confiáveis, protegidos de qualquer
colapso por três sistemas de segurança diferentes e
independentes...". Entretando, o impossível acontece!
Com a explosão que arrancou o teto do reator de 700
toneladas, uma bola de fogo lançou no ar, a mais de
1000 metros de altura, uma mistura de elementos
radiativos. Estima-se que entre 7 e 10.000 o número
de mortos e 160.000 km2 de área contaminada.
Atrite uma caneta 'bic' junto a um pedaço de
plástico e depois
aproxime-a de
pedacinhos de
folha de papel.
2. Alguns tipos de acendedores de fogão não utilizam
diretamente a energia elétrica da tomada e tampouco a
de uma bateria comum. No entanto, tais acendedores
produzem uma faísca quando pressionados por uma
espécie de gatilho preso a uma mola. Discuta que
transformações de energia ocorrem nesse dispositivo.
3. Os dínamo e os alternadores podem ser classificados
como fontes de energia elétrica. Quais as formas de energia
transformadas em energia elétrica nesses aparelhos?
 PARA FAZER E PENSAR
O que ocorreu com
a caneta após ela
ter sido atritada?
Esse processo é
semelhante a qual
dos discutidos nas
páginas 78 e 79?
8
1
21
Dínamo
 de bicicleta
A Física do dínamo de
bicicleta será ilustrativa
para entender o
gerador de usina
hidrelétrica
Quando ouvimos falar em geradores de eletricidade,
pensamos logo nas usinas, suas barragens;
mas o dínamo de bicicleta é também um gerador que
representa uma das duas maneiras conhecidas de se
obter energia elétrica. Uma pista para se saber como isso
é obtido está presente na ilustração. Qual é ela?
8
2
21 Dínamo de bibicleta
Os geradores das usinas e os dínamos de bicicleta são construídos de formas semelhante e têm o
mesmo princípio de funcionamento. Em ambos, há produção de energia elétrica a partir da energia
mecânica de rotação de um eixo. A partir da atividade que vem logo a seguir vamos começar a desvendar
esse mistério.
Dínamo de Bicicleta: o gerador arroz com feijão
Para fazer esta atividade você vai precisar tomar
duas provedências:
1. trazer ou ajudar seu professor a obter um dínamo
desse tipo;
2. além dele será necessário uma bússola. Com eles você
vai estar pronto para fazer a primeira parte.
Parte 1
a. aproxime a bússola do dínamo parado e verifique o
que acontece com ela.
b. repita girando devagar com a mão o eixo do dínamo.
O que é possivel dizer sobre o que há lá dentro?
Parte 2
Para verificar se ele de fato é um gerador de eletricidade
conecte nos seus terminais um led(diodo
fotoemissor).Gire o seu eixo e observe o que ocorre
com o led. Gire para o lado oposto.E agora?
Parte 3
a. desparafuse a porca que fixa o eixo e retire-o com
cuidado. Do que ele é feito? Torne a aproximar dele a
bússola.
b. observe a parte do dímano que fica em volta da
carcaça na parte interna. Do que ela é feita?
8
3
.
Mas issso não é tudo, porque apenas a presença do ímã
no interior do dínamo não é suficiente para acender a
lâmpada. Isso pode ser compreendido usando-se o
princípio da conservação da energia. Quando a lâmpada
está acesa, ela irradia continuamente energia luminosa e
térmica para o meio. Se o acendimento da lâmpada
pudesse ser causado apenas pela presença do ímã em
repouso, isso significa que a energia estaria "saindo" do
interior desse ímã, o que sugere que ele deveria "gastar-
se" depois de um certo tempo. Entretanto, ímãs não se
"gastam", ao contrário das baterias.
É aí que entra o arroz e feijão!
Alguém tem que pedalar a bicileta para acender o farol ou
girar o eixo do dínamo para acender o led.
De acordo com o princípio da conservação de energia, o
fluxo contínuo de energia luminosa e térmica para fora do
sistema não pode ser causado por algo que não muda ao
longo do tempo. Em outras palavras, não há como o ímã
parado possa "bombear" energia, continuamente, para a
lâmpada. Para que isso ocorra é preciso fornecer energia e
isto é feito através do movimento. Para facilitar a dicussão
do fenômeno físico da geração de corrente elétrica pelo
dínamo de bicicleta, vamos representá-lo
esquematicamente por um ímã colocado entre duas
espiras.
O campo magnético de um ímã parado varia de ponto
para ponto do espaço, mas em cada um desses pontos ele
permanece constante no tempo. Quando o ímã gira, como
acontece com a parte móvel do dínamo de bicicleta o
campo magnético varia no espaço ao redor dele. Essa
variação gera o campo elétrico produzindo uma corrente
elétrica que é percebida com o acendimento da lâmpada
O funcionamento do dínamo ilustra um caso particular de
uma das quatro leis gerais do Eletromagnetismo: a lei de
Faraday, segundo a qual uma corrente elétrica é gerada
num circuito fechado sempre que houver uma variação
de um campo magnético nessa região.
Esse processo de geração de corrente pode ser
representado pelo seguinte encadeamento de efeitos:
c a m p o
m a g n é t i c o
v a r i á v e l Þ
A corrente elétrica que
surge também é
chamada de corrente
induzida.
c o r r e n t e
elétrica no
c i r c u i t o
f e c h a d o
Quando o dínamo está em contato com a roda, o seu
movimento de rotação é transferido para o eixo do dínamo
pelo contato
com o pneu.
Como o ímã é
fixado ao eixo,
ele fica girando entre as bobinas. O fato da lâmpada do
farol acender está associado a esse movimento.
No dínamo não há contato físico entre o ímã e as bobinas.
Entretanto, elas se enfluenciam mutuamente. Como diz
Paulinho da Viola, é preciso lembrar que "a vida não é só
isso que se vê, é um pouco mais, que os olhos não
conseguem perceber...". Neste caso, esse algo mais,
invisível, mas real, é o campo magnético, no qual as bobinas
estão imersas. Deste modo, por meio do campo magnético
as partes fixa e móvel do dínamo podem se "comunicar".
8
4
1. Nos geradores em que o rotor é um eletroímã localizado internamente a um estator constituído por bobinas, para
manter o movimento de rotação é necessário um torque externo, além daquele realizado contra as forças de atrito.
Discuta a necessidade desse torque externo na manutenção do movimento do rotor, partindo do princípio de que
na ausência de torques externos a quantidade de movimento angular (momento angular) se mantém constante.
2. Analise as situações descritas abaixo, e verifique se há ou não produção de campo magnético variável na região
próxima
a- Um fio com corrente alternada e parado em relação ao chão.
b - Um fio com corrente contínua e parado em relação ao chão.
c - Uma bobina com corrente contínua e parada em relação ao chão.
d - Uma bobina com corrente contínua se deslocando com velocidade v em relação ao chão.
e - Um ímã se deslocando com velocidade v em relação ao chão.
f - Um ímã girando com velocidade angular ωωωωω.
exercitando ...
O ato de empurrar um ímã na direção da espira corresponde à "causa"
responsável pela origem da corrente induzida na espira. De acordo
com a lei de Lenz, o campo magnético da corrrente induzida deve se
opor à aproximação do ímã, ou seja, o ímã deve ser repelido. Assim, na
situação indicada para que ocorra repulsão ao ímã, a face da espira
voltada para ele deve corresponder ao "polo" sul. Para isso ser possivel,
a corrente induzida deve ter o sentido indicado na figura (b). Se
afastarmos o ímã da espira, a corrente induzida deve também opor-se
a essa separação. Para tanto, dará origem a um "polo" norte na face da
espira voltada para o ímã como indica a figura (c).
A aproximação ou o afastamento do ímã em relação à espira encontra
uma certa resistência que precisa ser vencida. Isso significa que é
necessário a realização de um trabalho por um agente externo. Esse
comportamento, está de acordo com o princípio da conservação da
energia, já estudado anteriormente.
LEI DE LENZ
Faraday descobriu que uma corrente elétrica é gerada num circuito
elétrico fechado, colocado numa região onde haja um campo
magnético variável.
Este fenômeno recebeu o nome de indução eletromagnética, e
a corrente que surge é chamada de corrente induzida.
Um outro trabalho foi realizado para saber o conhecimento do
sentido desta corrente induzida, que não é qualquer. Ele tem
relação com a causa que lhe deu origem. É isso que nos informa a
chamada lei de Lenz:
"O sentido da corrente induzida é tal
que, o campo magnético criado por
ela, se opõe à causa que lhe deu
origem".
Para entendermos o significado dessa
nova lei observe a situação mostrada na
figura (a).
(b) (c)
8
5
22
Transformadores
 no circuito
Entre a usina e os
centros consumidores de
energia elétrica há um
enorme circuito. Suas
características, você vai
estudar agora.
Por que é necessário
elevar ou baixar a
tensão elétrica
e como isso pode ser
feito?
Entre a usina hidrelétrica e a nossa
residência existem muitos
transformadores, uma vez que a
tensão de saída dos geradores é da
ordem de 10.000V, nos fios de alta
tensão é de 700.000V e a de
consumo doméstico encontra-se na
faixa de 110/220V. A tensão no
consumo comercial/industrial varia
de 110/220V até 550V, enquanto
que no consumo em transporte
(trens elétricos, metrô) varia de
600V a 3.000V.
8
6
22 Transformadores
Ligar um aparelho à tomada significa fazer com que ele se torne parte de um circuito muito maior, que pode ter
centenas de quilômetros de extensão.
Se acompanharmos os fios que chegam a uma tomada podemos verificar que eles estão ligados à rede elétrica de nossa
casa. Essa rede, por sua vez, está ligada aos fios que vêm do poste, através da caixa de distribuição. Esses fios, antes de
chegar às residências, "passam" por sucessivos aparelhos, denominados transformadores, localizados em pontos
estratégicos ao longo da rede elétrica. Os fios da rua são distribuídos a partir de uma subestação rebaixadora de tensão,
que está ligada por cabos de alta tensão a outra subestação, localizada ao lado da usina geradora de energia elétrica. A
função desta subestação é elevar a tensão gerada na usina para ser transportada por longas distâncias.
Como a potência é proporcional à tensão e à corrente ( P =
U.i ), podemos obter a mesma quantidade de energia
A transmissão da energia elétrica das usinas até os pontos
de consumo é efetuada através de fios condutores e por
isso parte dela é dissipada na forma de calor. De acordo
com a lei de Joule-Lenz (P = R.i2 ), essa perda é proporcional
ao quadrado da corrente. Dessa forma, para reduzi-la é
conveniente diminuirmos a intensidade da corrente.
transmitida na unidade de tempo através de uma corrente
menor, se aumentarmos a tensão.
É o transformador que realiza tais alterações. Por isso ele
está presente nas duas subestações, ora para elevar, ora
para baixar a tensão. Também está presente em alguns
postes onde a tensão é novamente rebaixada ou elevada
para ser colocada em condições de uso.
subestação
elevadora de tensão
fábrica
subestação
rebaixadora de tensão
transformador
rebaixador de tensão
linhas de alta tensão
usina
hidroelétrica
8
7
Os transformadores rebaixadores de tensão têm maior
número de voltas de fio no enrolamento primário que no
secundário. Em geral, nesse tipo de transformador os fios
utilizados no enrolamento secundário são mais grossos.
Nos transformadores da subestação elevadora de tensão,
o enrolamento primário tem menor número de voltas de
fio que o enrolamento secundário, podendo, em muitos
casos, este enrolamento ser constituído por fios mais finos.
Basicamente o transformador é constituído de fios enrolados
em um núcleo de ferro. São dois enrolamentos
independentes: o enrolamento primário, ligado à fonte e
o enrolamento secundário, onde se obtém a tensão
desejada. Os dois enrolamentos podem estar: um sobre o
outro isolados eletricamente e com o núcleo de ferro comum
a ambos; ou podem estar separados, ou seja, o enrolamento
primário numa parte do núcleo e o secundário em outra
parte.
Sendo U
P
 e U
S 
as tensões nos terminais dos fios nos
enrolamentos primário e secundário e N
P
 e N
S
 o número
de voltas de fio em cada um desses enrolamentos, vale a
seguinte relação para o transformador:
Todos esses fatores
podem provocar o
aquecimento. É por isso
que aparelhos de som e
v i d e o c a s s e t e s
esquentam "durante" o
funcionamento, e o seu
gabinete possui orifícios
para ventilação junto ao
transformador.
U
p
/U
s 
= N
p
/N
s
 U
P
/U
S
 = i
S 
/i
P
A queda de potência ou energia, da ordem de 2%, deve-
se aos seguintes fatores:
- aquecimento dos enrolamentos (de acordo com a lei de
Joule-Lenz);
- correntes induzidas no núcleo de ferro do transformador,
que criam um campo magnético contrário àquele criado
pela corrente no enrolamento primário. Tais correntes
induzidas são também conhecidas por correntes de Foucault.
- processo de magnetização que ocorre no núcleo de ferro
do transformador (pelo fato da corrente, que cria o campo,
magnético, ser alternada, há um ciclo de magnetização
do núcleo, que acompanha as variações da intensidade e
de sentido da corrente). Por esse motivo, o núcleo de
ferro é laminado, separado com material isolante.
Balanço energético no transformador
O rendimento nos transformadores é em torno de 98%, o
que significa que a potência elétrica no enrolamento
primário é praticamente igual à do enrolamento secundário,
ou seja, U
P 
i
P
 (enrolamento primário) = U
S 
i
S
 (enrolamento
secundário) ou
8
8
exercitando ...
1. Um transformador é constituído por dois
enrolamentos de fios de cobre, um de 200 e outro de
1 200 espiras. Esses solenóides envolvem uma mesma
barra de ferro.
a) Se a tensão no enrolamento (primário) de 200 espiras
for de 12 volts, que tensão obtemos no outro
enrolamento (secundário)?
b) Qual a função do núcleo de ferro?
c) É possível esse transformador funcionar se a tensão
de 12 volts for de uma bateria (corrente contínua)? Por
quê?
2. Um transformador tem 200 espiras no primário,
recebendo uma tensão de 110V. Quantas espiras deve
ter no secundário, para que a tensão de saída seja 220V?
3. Qual a tensão retirada da saída de um transformador,
sabendo que a tensão de entrada é de 220V e a razão
entre o número de espiras do secundário e o número
de espiras do primário é 1/20? O transformador
funcionou como elevador ou como rebaixador de
tensão?
4. Explique porque o núcleo de ferro do transformador
é laminado.
5. Um transformador está sendo usado para baixar a
tensão de 120V para 9V. Sabendo-se que o número de
espiras do primário é 240 voltas e que a potência no
circuito secundário é 6W e considerando que a perda
de energia é desprezível, responda:
a. qual o número de espiras do secundário;
b. qual a corrente elétrica no secundário;
c. qual a corrente elétrica no primário.
O transformador é um aparelho consumidor de energia
elétrica quando considerado do lado do enrolamento
primário e, também, fonte ou gerador de energia
elétrica do lado do enrolamento secundário.
Uma aplicação da lei de Faraday. A indução
eletromagnética nos transformadores.
Segundo a lei de Faraday, quando numa região do
espaço ocorre uma variação do campo magnético, é
induzido nessa região um campo elétrico.
Os aparelhos elétricos são construídos para funcionarem
com deternminadas tensões. Quando a tensão de
funcionamento dos aparelhos não coincidir com a tensão
da fonte é necessário intercalar entre os dois um
transformador para adequar essas tensões.
Saiba um pouco mais sobre o
transformador
Quando o enrolamento primário é ligado a um circuito
de corrente alternada, esta corrente cria um campo
magnético proporcional a ela própria e ao número de
voltas do enrolamento. Como a corrente é alternada, o
campo magnético criado por ela é também variável
com o tempo e, consequentemente, aparece um fluxo
da variação deste campo na região onde se encontra o
enrolamento secundário.
Este fluxo de variação do campo magnético do primário,
induz um campo elétrico no enrolamento secundário,
de tal forma que, quanto maior for o fluxo dessa
variação, maior a intensidade do campo elétrico
induzido em cada espira. A tensão que resulta nos
terminais do enrolamento secundário é proporacional
ao campo elétrico induzido e ao número de voltas do
enrolamento.
8
9
23
A corrente elétrica
vista por dentro
Como é imaginado um
metal com e sem
corrente elétrica,
você vai saber agora
com a ajuda de um
modelo físico.
 Se não for só para apertar botão, está na hora de
responder algumas questões:
 O que significa ligar um aparelho elétrico? Por que
existe corrente em um aparelho ligado? No que
consiste a corrente elétrica?
9
0
23 A corrente elétrica nos metais vista por dentro
As questões indicadas na página anterior somente podem
ser respondidas considerando-se o que acontece no interior
do fio quando se estabelece nele uma corrente elétrica.
Assim, será necessário conhecer um modelo teórico que
explica o que ocorre microscópicamente em um fio sem
corrente elétrica, e depois, com corrente elétrica.
Antes, poderíamos perguntar: o que é um modelo ?
Um modelo é um conjunto de hipóteses que buscam
explicar um fenômeno. É também imaginação e estética.
Nesse caso, o modelo para a corrente elétrica utiliza a
teoria atômica da matéria. Hoje em dia, acreditamos que
toda matéria seja constituída de corpúsculos extremamente
minúsculos denominados ÁTOMOS.
Os átomos são muito pequenos. Se um átomo fosse deste
tamanho de um ponto, a bolinha da ponta de uma caneta
teria 10km de diâmetro. Para se ter uma ideía do tamanho
desses tijolinhos que forma os materiais, uma bolinha de
ponta de caneta deve conter ...
1 000 000 000 000 000 000 000
de átomos.
A figura a seguir é uma representação esquemática do
átomo. Note que eles são formados de partículas ainda
menores: os prótons e os neutrons que formam o núcleo e
os elétrons que giram em torno dele.
Em um átomo neutro, os números de prótons e elétrons
são iguais.
Como é imaginado o metal internamente?
Um fio de metal é um conjunto muito grande de átomos
ligados uns aos outros mas que guardam uma certa distância
entre si. Esta organização forma uma estrutura tridimensional
bastante regular que pode mudar de um metal para outro
e chamada de rede cristalina.
À temperatura ambiente tanto os elétrons quanto os núcleos
atômicos estão em movimento cuja origem é térmica.
Enquanto os núcleos vibram juntamente com os elétrons
presos a ele, os elétons que se desprenderam realizam
um tipo de movimento que é aleatório pelo interior da
rede cristalina.
Além disso, no interior do metal, cada átomo perde um
ou dois elétrons que ficam vagando pelos espaços vazios
no interior do metal (sendo por isso chamados de elétrons
livres, enquanto a maioria dos elétrons está presa nas
vizinhanças dos núcleos.
modelo,
eu?
9
1
O que muda no metal quando há
corrente elétrica?
Aparentemente nada, que possa ser visto a olho nú! Mas..
e internamente?
Um aparelho elétrico só entra em funcionamento se for
ligado a uma fonte de energia elétrica que pode ser uma
usina, uma pilha ou bateria. Nessa situação há transformação
de energia elétrica em outras formas de energia e o que
possibilita tal transformação é a existência de corrente
elétrica.
Internamente, a energia da fonte é utilizada para acelerar
os elétrons livres no interior da rede cristalina, através de
uma força de natureza elétrica. Essa força provoca um
movimento adicional ao já existente em cada elétron livre
do metal.
O resultado desse processo é uma superposição de dois
movimentos: o de origem térmica que já existia e continua
e o movimento adicional provocado pela fonte de energia
elétrica.
É esse movimento adicional que consiste o que se
entende por corrente elétrica.
A velocidade de cada elétron livre associada a cada um
desses dois movimentos tem valor completamente
diferente: enquanto a velocidade devido ao movimento
térmico é da ordem de 100.000 m/s, a velocidade devido
ao movimento adicional é aproximadamente 1,0 mm/s.
Qual o significado da intensidade da
corrente elétrica nesse modelo?
Vamos imaginar que quiséssemos medir uma "corrente" de
carros em uma estrada. Uma corrente de 100 carros por
minuto indicaria que a cada minuto 100 carros passam pela
faixa. Se contarmos durante o tempo de 5 minutos a
passagem de 600 carros e quisermos saber quantos passa,
em média,em um minuto faríamos:
corrente = 600 carros/ 5 minutos = 120 carros/minuto
Assim poderíamos escrever a fórmula da intensidade de
corrente da seguinte maneira: corrente = no de carros/tempo
Para uma corrente de elétrons num fio metálico, poderíamos
escrever algo semelhante:
corrente elétrica = no de elétrons/tempo
No entanto, o que nos interessa é a quantidade de carga
que passa e não o número de elétrons. Desse modo, a
intensidade de corrente pode ser calculada pela expressão:
i = N.e onde : N é o número de elétrons
t e a carga elétrica do elétron
t é o tempo transcorrido
Quando a carga é medida
em Coulombs e o tempo
medido em segundos a
corrente é medida em
ampère (A)
9
2
 exercícios...
1. Do que são formados os átomos?
2. Do que é constituido e como está organizado o metal?
3. Por que alguns elétrons recebem a denominação de
elétrons livres?
4. Que alterações ocorrem internamente num fio
metálico com corrente elétrica?
5. O que se entende por movimento térmico aplicado
aos componentes de um fio metálico?
6. A figura a seguir representa os componentes
microscópicos de um fio metálico.
Indique o nome dos componente indicados com as letras
X e Y.
7. Sabendo que 1 200 elétrons atravessam por segundo
a secção reta de um condutor e que a carga elementar
tem intensidade e = 1,6 . 10-19C, calcule a intensidade
da corrente elétrica nesse condutor.
8. No circuito elétrico, existe uma correte de 1A.Quantos
elétrons atravessam uma seção transversal deste fio
metálico por segundo?
Um pouco mais sobre a corrente
Já na tomada, a corrente é alternada. Isso significa que
ora a corrente tem um sentido ora tem outro, oposto ao
primeiro. Isso ocorre porque a força que impulsiona os
elétrons livres inverte constantemente de sentido.
Quando um aparelho é ligado a uma pilha ou bateria a
corrente elétrica se mantém constantemente em um
mesmo sentido. Isso quer dizer que a força que
impulsiona os elétrons é sempre no mesmo sentido.
9. A instalação elétrica de um chuveiro, cuja inscrição na
chapinha é 220V - 2800/4400W, feita com fio de cobre de
bitola 12, estabelece uma corrente elétrica de
aproximadamente 12A, quando a chave está ligada na
posição "verão". Na posição "inverno" a corrente é de
aproximadamente 20A. Calcule o número de elétrons que
atravessa, em média, uma seção transversal do fio em um
segundo, para a chave nas posições "verão" e ïnverno",
sabendo-se que a carga de um elétron é, em módulo igual
a 1,6.10-19 C.
10.Explique a diferença no filamento das lâmpadas com
tensões nominais 110V e 220V, porém com mesmas
potências, usando o modelo de corrente.
11. Determine a intensidade da corrente elétrica num fio
condutor, sabendo que em 5 segundos uma carga de 60
C atavessa uma secção reta desse fio.
12.Explique a diferença entre corrente contínua e corrente
alternada levando em conta a força elétrica sobre os elétrons
livres.
y
9
3
24
Nessa aula você
 vai entender como se
explica o surgimento
 da corrente
 elétrica
Fumaça, cheiros
 e campos
No campo de futebol, se joga..., bem você sabe.
Já numa quadra poliesportiva se pode jogar: basquete,
volei, futebol de salão, ... , desde que se conheça as
regras. E nos campos da Física, que jogos podem ser
jogados? E com que regras?
9
4
24 Fumaça , cheiros e campos
Há uma frase bastante conhecida que diz:
 "onde há fumaça, há fogo"
que serve para dizer muitas coisas. Uma delas, é que a
gente pode identificar a existência de algo queimando
mesmo que não vejamos. Por que podemos dizer isso?
Algo queimando sempre provoca a produção de gases
que se misturam com o ar e estes podem ser detectados
pelo olfato ainda que não esteja visível a chama.
De forma semelhante podemos perceber o odor de um
perfume, ainda que não possamos vê-lo. De um frasco
de perfume aberto, emanam moléculas que, por estarem
em movimento, misturam-se com o ar próximo, criando
uma espécie de "campo de cheiro" em
todos os pontos desse ambiente. Até
que ocorresse toda a evaporação do
perfume, esse ambiente ficaria com essa
carcterística: além das moléculas do ar,
estariam presentes as moléculas da
substância desse perfume e qualquer
nariz poderia detectar a sua existência,
mesmo que não fosse póssível ver o
frasco.
Mas a essa altura, poderia-se perguntar: onde vai nos levar
isso tudo?
Essa conversa introdutória é para chamar a atenção de
algumas carcterísticas comuns a um conceito muito
importante na física: o de campo. O conceito físico de
campo caracteriza a propriedade que a matéria tem
de influenciar o espaço que fica ao redor dela, dando-
lhe uma carcterística que ele não tinha antes. Nesse
sentido é que o "campo de cheiro" do perfume é análogo
ao conceito físico de campo.
É desse modo que se entende hoje a atração gravitacional:
a Terra, como qualquer corpo com massa, é concebida
como se tivesse em torno de si uma 'aura', isto é, como
uma extenção não material, que preenche todo o espaço
ao redor.
Um aspecto muito importante do conceito físico de campo
é que ele não é separável da matéria que o origina. Assim,
o campo gravitacional da Terra é tão inseparável dela
como o campo magnético de um ímã é inseparável dele.
Desse modo, se a matéria se move, o seu campo também
se move, acompanhando a matéria.
Assim, qualquer outra massa "imersa" no campo
gravitacional da Terra é atraída por ela, através da força
peso. Assim, podemos entender que o peso é a evidência
mais comum da ação do campo gravitacional.
9
5
Uma outra propriedade
interessante do conceito
de campo é de que ele
age também no interior
dos objetos. Quando
plantamos "bananeira" por
exemplo, é o campo
gravitacional que faz o
sangue descer para nossa
cabeça.
Uma outra característica importante do conceito físico de
campo é que ele tem um valor que varia com a distância
em relação à matéria que o produz. O campo gravitacional
da Terra, por exemplo, é capaz de "prender" a Lua ao
nosso planeta, o que significa que ele se estende por
grandes distâncias. Aqui na superfície da Terra, onde nos
encontramos ele vale 9,8 N/kg, mas lá na superfície da
Lua seu valor é aproximadamente 0,0027 N/kg.
Próxima à superficie da Terra ou sobre ela, onde nos
encontramos, o campo gravitacional da Terra é
praticamente constante. Assim podemos afirmar que no
interior da sala de aula, o campo gravitacional é uniforme
e pode ser representado conforme ilustra o tom cinza da
figura.
Nessa situação podemos perceber que o campo gerado
pela Terra existe independente de haver alunos na classe
e, além disso, seu valor é o mesmo para todos os pontos.
Essa discussão acerca das propriedades do campo
gravitacional vai ser útil para entendermos mais sobre o
que ocorre
no interior do fio quando há corrente elétrica.
Já sabemos que os elétrons livres ficam sujeitos a um
movimento adicional, provocado pela ação de uma força
elétrica sobre eles. Essa força também é devida a existência
de um campo criado pela fonte de energia elétrica: é o
campo elétrico! Assim, quando um circuito elétrico está
fechado e é conectado a uma fonte como pilha, bateria, ou
usina, dentro do fio é estabelecido um campo elétrico.
Do mesmo modo que o campo gravitacional age sobre
uma massa, o campo elétrico produzido pela fonte agirá
sobre todas as partículas eletricamente carregadas,
presentes no fio, causando uma força elétrica sobre elas.
Em particular ele agirá sobre os elétrons livres e, por isso,
eles adquirirão um movimento adicional ao já existente
que é o de agitação térmica.
9
6
As pilhas e as baterias geram campo elétricos que não
variam com o tempo, o
que produz uma corrente
elétrica contínua.
Já o gerador das usinas
gera campo elétrico que
se altera e, por isso, a
corrente é variável.
Podemos representar
essa variação através da
figura ao lado.
Como essa variação se
repete ao longo do
tempo, tanto o campo
elétrico gerado pela usina
como a corrente elétrica
no circuito recebem a denominação de alternado(a).
Em nossa residência, a repetição dessa variação ocorre
60 vezes por segundo. Por isso é que aparece nas
'chapinhas' dos aparelhos o valor 60Hz.
A corrente elétrica nos aparelhos ligados à tomada ou
diretamente à rede elétrica é do tipo alternada, ou seja,
variam com tempo. Assim, os valores indicados nesses
aparelhos pelo fabricante, não indicam o valor real mas
aquele que os aparelhos necessitariam caso funcionassem
com uma fonte que produz corrente contínua.
Para se ter uma idéia, se num chuveiro a corrente elétrica
é 20A, esse valor se refere à corrente se a fonte produzisse
corrente contínua. Na rede elétrica, entretanto, seu valor
varia de +28A até -28A, sendo que os sinais + e - indicam
sua alteração no sentido.
exercitando...
1. Como a física entende o conceito de campo?
2. Na representação do campo gravitacional da Terra pela
cor cinza, explique por que no ponto A o valor do campo
é maior que em B?
3. Explique como surge a corrente elétrica em um fio
metálico usando os conceitos: elétron livre, força elétrica e
campo elétrico.
4. O que diferencia a corrente produzida pela pilha de
uma usina?
5. Por que a corrente elétrica em um aparelho ligado à
tomada é denominado de corrente alternada?
6. Alguns aparelhos trazem a seguinte informação do
fabricante: 50-60Hz. O que significa tal informação?
7. Um ferro elétrico tem uma potência de 1000W e funciona
ligado à tensão de 110V.
a. calcule o valor da corrente elétrica no circuito quando
em funcionamento.
b. qual o significado do valor encontrado?
Contínua e alternada
.
A
.
B
9
7
25
Exercícios: geradores e
outros dipositivos (1a parte) EXEXEXEXEXEXERCÍCIOS
Chegou a hora de
fazer uma revisão de
tudo o que estudamos
até agora sobre
geradores de energia
elétrica.
( Lei de Faraday e de Lenz, modelo de corrente elétrica)
9
8
25 Exercícios: Lei de Faraday e de Lenz, modelo de corrente elétrica
2. A figura deste exercício mostra uma espira condutora
CDFG, colocada sobre uma mesa horizontal. Um ímã é
afastado verticalmente da espira da maneira indicada na
figura.
a) O campo magnético estabelecido pelo ímã em pontos
do interior da espira está dirigido para baixo ou para cima?
b) As linhas de campo criadas pelo ímã, que atravessam a
espira estão aumentando ou diminuindo?
c) Então, o campo magnético que a corrente induzida cria
no interior da espira deve estar dirigido para baixo ou para
cima?
d) Usando a lei de Lenz determine o sentido da corrente
induzida na espira.
5.Um transformador foi construído com um primário
constituído por uma bobina de 400 espiras e um secundário
com 2 000 espiras. Aplica-se ao primário uma voltagem
alternada de 120 volts.
a) Qual a voltagem que será obtida no secundário?
b) Suponha que este transformador esteja sendo usado
para alimentar uma lâmpada fluorescente ligada ao seu
secundário. Sabendo-se que a corrente no primário vale i
1
= 1,5 A, qual é o valor da corrente i
2
 que passa pela
lâmpada (suponha que não haja dissipação de energia no
transformador)?
4. Como é um transformador? Qual é sua função?
1. Quando empurramos um ímã na direção de uma espira
(figura a), o agente que causa o movimento do ímã sofrerá
sempre a ação de uma força resistente, o que o obrigará à
realização de um trabalho a fim de conseguir efetuar o
movimento desejado.
a) Explique o aparecimento dessa força resistente.
b) Se cortarmos a espira como mostra a figura (b), será
necessário realizar trabalho para movimentar o ímã?
3. Se deslocarmos um ímã permanente na direção de um
solenóide, como indica a figura (a), o ponteiro de um
galvanômetro ligado ao circuito se moverá no sentido
indicado.
a) Como se explica o movimento do ponteiro do
galvanômetro associado ao solenóide?
b) Indique, nas situações das figuras (b), (c) e (d), o que
acontece com o ponteiro do galvanômetro e o sentido da
corrente no fio do solenóide.
9
9
 teste seu vestibular...
1. Uma corrente elétrica que flui num condutor tem um
valor igual a 5A. Pode-se, então, afirmar que a carga que
passa numa secção reta do condutor é de:
a) 1C em cada 5s d) 1C em cada 1s
b) 5C em cada 5s e) 1C em cada 1/5s.
c) 1/5C em cada 1s
2. Em uma seção transversal de um fio condutor passa
uma carga de 10C a cada 2s. Qual a intensidade de corrente
neste fio?
a) 5A b) 20A c) 200A d) 20mA e) 0,2A
3.Uma corrente elétrica de 10A é mantida em um condutor
metálico durante dois minutos. Pede-se a carga elétrica
que atravessa uma seção do condutor.
a) 120C b) 1200C c) 200C d) 20C e) 600C
4. Uma corrente elétrica de intensidade 11,2 .10-6A
percorre um condutor metálico. A carga elementar e =
1,6 . 10-19C. O tipo e o número de partículas carregadas
que atravessam uma seção transversal desse condutor por
segundo são:
a) prótons: 7,0 . 1023 partículas.
b) íons de metal: 14,0 . 1016 partículas.
c) prótons: 7,0 . 1019 partículas.
d) elétrons: 14,0 . 1016 partículas.
e) elétrons: 7,0 . 1013 partículas.
7. Ao ligar dois fios de cobre de mesma bitola, porém de
comprimentos diferentes, numa mesma pilha, notei que o
fio curto esquenta muito mais que o fio longo. Qual a
explicação para isto?
8. Ao ligar dois fios de cobre de mesmo comprimento,
porém de bitolas diferentes, numa mesma pilha, notei que
o fio mais grosso esquenta mais que o fio mais fino. Qual a
explicação para este fato?
9. A intensidade da corrente que foi estabelecida em um
fio metálico é i = 400 mA (1mA = 1 miliampère = 10-3A).
Supondo que esta corrente foi mantida, no fio, durante 10
minutos, calcule:
a) A quantidade total de carga que passou através de uma
secção do fio.
b) O número de elétrons que passou através desta secção.
10. Qual a intensidade de corrente elétrica que passa por
um fio de cobre durante 1 segundo, sendo que, por ele,
passam 1,6 . 1019 elétrons?
6. "Os metais de forma geral, tais como o ouro, o cobre, a
prata, o ferro, e outros são fundamentais para a existência
da sociedade moderna, não só pelo valor que possuem,
mas principalmente pela utilidade que têm."
De acordo com a frase acima, e baseado em seus estudos
de eletricidade, qual a utilidade dos metais e em que sua
estrutura cristalina os auxilia a terem esta utilidade.
1
0
0
7. Aproximando ou afastando um ímã de uma espira
condutora retangular, a variação do fluxo de indução
magnética determina o aparecimento de uma corrente
elétrica induzida i.
Qual a figura que melhor representa a corrente elétrica
induzida?
a)( ) A b)( ) B c)( ) C d)( ) D e)( ) E
8. A figura mostra três posições secessivas de uma espira
condutora que se desloca com velocidade constante numa
região em que há um campo magnético uniforme,
perpendicular à página e para dentro da página. Selecione
a alternativa que supre as omissões nas frases
seguintes:
I - Na posição (1), a espira está penetrando na região onde
existe o campo magnético e, consequentemente,
está............................ o fluxo magnético através da espira.
II - Na posição (2), não há ..........................na espira.
III - Na posição (3), a corrente elétrica induzida na espira,
em relação à corrente induzida na posição (1),tem sentido
.........................
 a)( ) aumentando, fluxo, igual
b)( ) diminuindo, corrente, contrário
c)( ) diminuindo, fluxo, contrário
d)( ) aumentando, corrente, contrário
e)( ) diminuindo, fluxo, igual
5. No esquema, a fig. (1) representa o movimento
aleatório de um elétron em um condutor. Após muitos
choques, a maior probabilidade do elétron é permanecer
nas proximidades do ponto (A). Na fig. (2), o condutor
está submetido a um campo elétrico. Assim o elétron se
arrasta sistematicamente para a direita, durante cada
segmento da trajetória. Se o movimento dá conforme a
descrição, é porque o campo elétrico é:
a)( ) horizontal, para a direita
b)( ) vertical, para cima
c)( ) vertical, para baixo
d)( ) horizontal para a esquerda
e)( ) diferente dos casos citados acima
6. A lei de Lenz determina o sentido da corrente
induzida. Tal lei diz que a corrente induzida:
a)( ) surge em sentido tal, que tende a reforçar a causa
que lhe deu origem.
b)( ) surge sempre num sentido que tende a anular a
causa que lhe dá origem.
c)( ) aparece num sentido difícil de ser determinado.
d)( ) há duas alaternativas certas.
e)( ) aparece sempre que alteramos a forma de uma
espira
1
0
1
26
Alô,..., pronto.
Desculpe, engano!
Nessa aula você vai
aprender como o som é
transformado em
eletricidade e depois
recuperado como som
Alô .... pronto; desculpe ..... engano.
Quem não disse uma destas frases ao
telefone! Mas quem sabe o que ocorre com a
voz que vai e a voz que vem?
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0
2
26 Microfone e Alto-falante
O microfone é um dispositivo utilizado para converter o
som - energia mecânica -
em energia elétrica. Os
modelos mais comuns
possuem um diafragma
que vibra de acordo com
as pressões exercidas
pelas ondas sonoras.
No microfone de indução,
as variações de pressão do
ar movimentam uma
bobina que está sob ação de
um campo magnético
produzido por um ímã
permanente. Nesse caso, com
o movimento, surge na bobina
uma corrente elétrica induzida
devida à força magnética, que
atua sobre os elétrons livres do
condutor.
Nos microfones mais antigos - os que utilizam carvão - as
variações de pressão do ar atingem o pó de carvão,
comprimindo-o e descomprimindo-o. Este pó de carvão
faz parte de um circuito elétrico que inclui uma fonte de
energia elétrica. A compressão aproxima os grãos de
carvão, diminuindo a resistência elétrica do circuito. Desta
forma, a corrente elétrica varia de intensidade com o
mesmo rítmo das alterações da pressão do ar.
Atividade: Operação desmonte
Arrume um alto-falante usado, que possa ser
desmontado mas antes, observe-o e responda as
questões a seguir:
a. que materiais fazem parte de sua fabricação?
b. o que torna o alto falante tão pesado?
c. qual o elo de ligação entre o cone de papelão e a
base?
d. agora sim! abra o interior do alto-falante e verifique
os demais compomentes
1
0
3
Como a bobina e o cone estão unidos quando ela entra em
movimento, as vibrações mecâncias do cone se transferem
para o ar, reconstituindo o som que atingiu o microfone.
A corrente elétrica obtida no microfone, que representa o
som transformado, é do tipo alternada e de baixa
frequência. Assim, o som transformado em corrente elétrica
pode ser representado conforme a figura a seguir.
No alto-falante ocorre a transformação inversa àquela do
microfone:a corrente elétrica é transformada em vibrações
mecânicas do ar, reconstituindo o som inicial.
Para tanto, é necessário o uso de uma bobina, um cone
(em geral de papelão) e um ímã permanente ou um
eletroímã.
Quando a corrente elétrica, que representa o som
transformado, se estabelece na bobina do alto-falante, pelo
fato de ela estar sob a ação de um campo magnético criado
por um ímã (ou por um eltroímà), a bobina com corrente
elétrica fica sob a ação de forças e entra em movimento.
A intensidade das forças magnéticas depende da
intensidade da corrente elétrica que atinge a bobina.
Os primeiros alto-falantes surgiram entre 1924 e 1925, como
equipamento capaz de amplificar o som produzido pelos
fonógrafos elétricos primitivos.
Para melhorar a reprodução e reduzir os efeitos de
interferência, o alto-falante passou a ser montado em caixa
acústica.
As caixas acústicas de alta qualidade possuem sempre mais
de um alto-falante, para cobrir melhor toda faixa de
frequência audíveis. As unidades pequenas (tweeters), com
diafragma de apenas 3 a 5 cm, são responsáveis pela faixa
de frequência dos sons agudos. Além do tweeter (uma ou
mais unidades), a caixa deve possuir um alto-falante de
baixa frequência (woofer) de 25 cm (10 polegadas) de
diâmetro, cobrindo a faixa de frequência que vais
aproximadamente 300 a 500 hertz, e uma unidade de
frequência intermediária, de mais ou menos 15cm (6
polegadas) de diâmetro, apresenta entre 500 hz e 4 k Hz.
1
0
4
As ondas sonoras são variações da pressão do ar, e
sua propagação depende assim de um meio material.
À medida que a onda se propaga, o ar é primeiro
comprimido e depois rarefeito, pois é a mudança de
pressão no ar que produz o som.
 As ondas sonoras capazes de ser apreciados pelo
ouvido humano têm frequências variáveis entre cêrca
de 20 hertz e 20 000 hertz.
A voz feminina produz um som cuja freqüência varia
de entre 200 Hz a 250Hz, enquanto a masculina
apresenta uma variação de 100 a 125 Hz.
Para transmitir a voz humana ou uma música é preciso
converter as ondas sonoras em sinais elétricos, e depois
reconvertê-los em sonoras a fim de que possam ser
ouvidas. O primeiro papel é desempenhado pelo
microfone e segundo pelo alto-falante.
No ar à temperatura ambiente, o som se propaga com
uma velocidade aproximada de 340m/s. Já a luz viaja
a quase 300.000 km/s. É por esta razão que o trovão
é ouvido depois da visão do relâmpago.
Que tal um pouco de som?
matéria temperatura
(C)
velocidade
(m/s)
água 15 1450
ferro 20 5130
granito 20 6000
Além da freqúência, as ondas sonoras também
são caracterizadas pelo seu tamanho ou
comprimento de onda.
Esse comprimento pode ser calculado por uma
expressão que o relaciona com sua freqüência e
velocidade de propagação:
 velocidade = freqúência x comprimento de onda
Para se ter uma idéia do tamanho das ondas sonoras
audíveis pelos seres humanos, basta dividirmos o valor
da velocidade de sua propagação pela sua freqüência.
Assim, para 20Hz, o comprimento da onda sonora será
de 17 metros. Já para ondas sonoras de 20.000 Hz, o
comprimento da onda será de 1,7 cm.
As ondas sonoras são ondas mecânicas que precisam
de um meio material para se propagarem,
provocando vibração deste meio no mesmo
sentido de sua propagação. Por esta razão,
elas são denominadas de ondas
longitudinais. O vácuo não transmite o som,
pois ele precisa de um meio material para se
propagar.
exercitando...
1.De que modo o
microfone de indução faz a
transformação do som em
corrente elétrica?
2.Qual o princípio de
funcionamento do
microfone que usa carvão?
3.Qual o tipo de
transformação de energia
que ocorre no alto-falante?
4. O som se propaga no
vácuo? justifique.
5. Calcule o comprimento
de onda de uma onda
sonora cuja freqüência é
250Hz e se propaga no ar
com uma velocidade de
340 m/s.
6.Calcule o comprimento
de onda do som do
exercício anterior,
admitindo que sua
propagação agora se dá na
água com uma velocidade
de 1400 m/s.
7. As ondas sonoras tem
freqüência de 20 a 20.000
Hz. Que valores de
comprimento de onda
delimitam estas
freqüências?
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5
27
Força e Campo
Elétrico
Nesta aula você
vai estudar a
interação entre as
partículas
eletrizadas.
Sabemos que a
matéria é formada
de partículas
eletrizadas embora
ela, geralmente,
encontra-se no
estado neutro.
Como se pode fazer para que as
cargas positivas sejam em
maior
número? E para que o número
maior seja de cargas negativas ?
Como é a interação entre os
objetos eletrizados?
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27 Força e Campo Elétrico
Acumulador de cargas
*Adaptação da contrução proposta na Revista de Ensino de Ciências, FUNBEC, n. 16,set/1986
7. Aproxime lentamente o colchete fixo à parede externa da "cabeça" do
outro preso à tampa do tubo. O que ocorre? você tem alguma explicação
para isto?
8. Tanto as baterias como as pilhas acumulam cargas elétricas, baseados no
processo de separação de cargas. O que os diferencia?
1. Recorte dois pedaços de papel alumínio. Fixe um deles na parede interna do tubo plástico e
cole o outro na sua lateral externa.
2. Preencha cerca de 1/3 do tubo com bombril.
3. Abra um dos colchetes, dobre uma de suas extremidades formando
um L e prenda-o com fita adesiva à lateral externa do tubo sobre o
papel alumínio.
4. Perfure a tampa do tubo,passe o outro colchete pelo orifício e
abra suas hastes de forma que possam ter contato com a área
preenchida pelo bombril.
5. Coloque a tampa no tubo e ajuste o colchete de forma que sua altura
coincida com à do que foi fixado à lateral do tubo.
6. Para acumalar cargas elétrica na garrafa, friccione um canudinho de
refrigerante (ou pedaço de acetato) com um pedaço de papel higiênico ou
pano seco, a fim de eletrizá-lo. Segure o tubo pela parede lateral e passe o
plástico eletrizado na "cabeça" do colchete para transferir carga elétrica do
plástico para o colchete. Com esse procedimento este capacitor está
"carregado".
As pilhas e baterias, através de processos químicos, separam cargas elétricas, acumulando-as em seus terminais.
Porém, não só os processos químicos realizam essa separação.
Utilizando um pequeno recipiente de material isolante (por exemplo,
um tubo de plástico acondicionador de filmes fotográficos), dois
colchetes de prender papel, um pedaço de bombril, e um pedaço de
papel alumínio, propomos nesta atividade a construção de um
armazenador de cargas, cujo funcionamento baseia-se nos processos
de eletrização por atrito, por contato e por indução.
Procedimentos:
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7
Quando o canudo é atritado com o papel higiênico ou
pano seco, provocamos sua eletrização. Nesta situação, o
plástico eletrizado transfere cargas elétricas para o colchete
da tampa, quando estabelecemos o contato entre eles.
Tais cargas são transferidas para a parte interna através dos
materiais condutores de eletricidade. Repetindo-se várias
vezes esse procedimento, pode-se acumular uma certa
quantidade de cargas. Essa eletrização provoca uma outra
separação de cargas elétricas na haste lateral, só que de
sinal contrário àquela que lhe deu origem.
Ao fazermos a aproximação entre a extremidade lateral e
o colchete, estabelecemos uma forte atração elétrica entre
cargas de sinais opostos, que permite o movimento das
cargas negativas através do ar. Tais cargas ionizam as
moléculas presentes no ar, que emitem luz ( a faísca).
Um pouco mais além
Cada carga possui seu campo elétrico e a relação entre os
dois não pode ser modificada de nenhum modo. Com isso
queremos dizer que a relação entre uma carga e o seu
campo não se modifica quando colocamos ou retiramos
outras cargas elétricas na mesma região do espaço.
O campo elétrico é uma grandeza vetorial e, portanto,
deve ser caracterizado por intensidade, direção e sentido.
A intensidade do campo elétrico de uma carga puntiforme*
em repouso diminui com a distância.
A direção do campo de uma carga puntiforme é radial, ou
seja, num determinado ponto o campo tem a direção da
reta que une esse ponto à carga.
Essas duas características, intensidade e direção do campo
elétrico são as mesmas para cargas positivas e negativas.
Entretanto, o sentido do campo elétrico depende do tipo
de carga considerado: para uma
carga positiva o
campo é radial e
diverge da carga,
e para uma
negativa ele é
radial e converge
para ela.**
Qualquer carga tem o seu próprio campo elétrico e desse
modo a carga Q imersa no campo da carga q também
sofre a ação desse campo. Isso explica a atração ou a
repulsão entre dois corpos eletrizados.
Uma carga elétrica possui sempre em torno de si um campo
elétrico. Esse campo é uma propriedade da carga. Ela
sempre traz consigo seu campo , sendo impossível separá-
los. Pode-se pensar no campo elétrico como sendo uma
parte real, mas não material de uma partícula carregada
que a envolve, preenchendo todo o espaço que a circunda.
O conceito de
campo elétrico
podemos entender
como sendo uma
"aura" que envolve a
carga elétrica.
Não existe carga
elétrica sem campo. Por exemplo, quando damos "um
puxão" em uma carga fazemos com que ela se mova, o
campo elétrico também é arrastado junto com a carga.O
campo elétrico de uma carga é eterno, sendo, por isso,
incorreto pensar que uma carga emite campo elétrico. Essa
idéia pode ser melhor compreendida com uma comparação
entre um frasco de perfume e a carga elétrica.
O sentido da força elétrica sobre a carga q será o mesmo
do campo elétrico se esta carga for do tipo positiva. Se a
carga q for do tipo negativa, o sentido da força elétrica
sobre ela será oposto ao campo elétrico.
Quando uma outra carga elétrica q é colocada no campo
elétrico criado por uma carga Q. o campo elétrico criado
pela carga Q atua sobre a carga q exercendo nela uma
força F.
(nada a ver com Matusalém)
**O sentido "convergente" ou
"divergente" para o campo
elétrico das cargas positivas e
negativas é mera convenção.
*Uma carga é denominada
puntiforme quando o objeto em
que está localizada possui
dimensões muito pequenas em
relação à distância que o separa
de outros objetos.
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8
A lei de Coulomb
O campo elétrico de uma carga está associado a sua
"capacidade" de poder criar forças elétricas sobre outras
cargas elétricas. Essa capacidade está presente em torno
de uma carga, independente de existirem ou não outras
cargas em torno dela capazes de "sentir" esse campo.
O campo elétrico E em um ponto P, criado por uma
carga Q puntiforme em repouso, tem as seguintes
características:
- a direção é dada pela reta que une o ponto P e a carga
Q.
- o sentido de E aponta para P se Q é positiva; e no
sentido oposto se Q é negativa.
- o módulo de E é dado
 pela expressão: E = K . 
Q
d
onde K é uma constante que no SI e vale:
A intensidade da força elétrica entre duas cargas Q e q é
dada pela expressão que representa a lei de Coulomb;
onde d é a distância entre as cargas.
2
9.109 N.m2/C2.
F K
Q q
d
= .
.
2
Quando uma carga elétrica Q está imersa
num campo elétrico E, o valor da força elétrica
que age sobre ela é dada por:
4. Podemos eletrizar um objeto neutro através do atrito
com outro objeto neutro, ou através de um objeto
carregado. É possível eletrizarmos um objeto sem atrito
ou contato? Como?
 Determinar a instensidade da força elétrica:
a) que C exerce em B
b) resultante no corpo B
2. Determine a intensidade da força de repulsão entre duas
cargas iguais a 1C, que se encontram no vácuo, distanciadas
em 1m.
3. Três corpos com cargas elétricas iguais são colocadas
como indica a figura abaixo.A intensidade da força elétrica
que A exerce em B é de F = 3,0 . 10-6 N:
 exercitando ...
1.Representar as forças elétricas em cada situação:
5. Analise o texto a seguir e diga se é verdadeiro ou falso:
"O fato de uma carga poder exercer força sobre
a outra através do campo está de acordo com o
princípio de ação e reação (3a lei de Newton).
Segundo este princípio, podemos considerar as
forças F e F' como par de ação e reação que tem,
portanto, o mesmo módulo, porém sentidos
opostos, além de estarem aplicados a corpos
diferentes.."
No sitema internacional de unidades, a força é medida
em newton (N), a carga elétrica em coulomb (C) e o
campo elétrico em newton/coulomb (N/C).
F = Q.E
a. b. c.
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9
28
A interação elétrica e
seu papel no mundo
Você vai ver a
importância da
interação de natureza
elétrica no mundo
que nos cerca
(des)Acredite se puder!!!!!
 Sem exagero, todas as propriedades
do mundo material que nos cerca
devem-se às interações elétricas! Difícil de aceitar?
Você mesmo poderá verificar lendo as páginas a seguir.
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0
28 A interação elétrica e seu papel no mundo
Para orientar o pensamento procure imaginar como ficaria
o seu planeta e depois o sistema solar.
Procure representar as imagens que lhe vieram à cabeça
por meio de desenhos.
A Terra se desligaria do Sistema Solar e sairia numa
trajetória reta com movimento uniforme ( Lei da Inércia).
Devido à rotação em seu próprio eixo, todos os objetos da
sua superfície, incluindo a atmosfera e nós próprios, seriam
lançados tangencialmente e dispersariam-se pelo espaço.
A Terra perderia sua forma esférica. Os objetos lançados
no espaço, entretanto, não se desagregariam.
A eletricidade está muito mais presente em nossa vida
que podemos pensar.
Você consegue enxergar as letras deste livro por que elas
são capazes de "desviar" a luz emitida por alguma fonte: o
Sol, as lâmpadas... . Isso ocorre porque as cargas elétricas
têm a capacidade de 'desviar' a luz.
Durante o processo de impressão desse livro, cada letra é
fixada no papel devido a forças elétricas. O papel é
constituído de fibras e ele não se desfaz porque elas estão
presas entre si por forças de origem elétrica.
Da mesma forma, a solidez de cadeira que você senta
como a de todos os objetos da sala em que você se encontra
é devida a forças de natureza elétrica.
Mesmo o oxigênio que respiramos é incorporado ao sangue
por meio de forças elétricas. Essas forças também estão
presentes na transformação dos alimentos, na transmissão
dos sinais nervosos, no funcionamento de cada célula ...
Todos os sentidos funcionam à base de forças elétricas!
Em resumo, todas as forças percebidas e sentidas por nós
têm origem elétrica, com excessão da força gravitacional
ou peso.
Ainda não está convencido? Então vejamos...
Desafio n° 01
IMAGINE UMA SITUAÇÃO HIPOTÉTICA EM QUE NÓS PUDÉSSEMOS
" DESLIGAR" A FORÇA GRAVITACIONAL NO SISTEMA SOLAR,
DEIXANDO INALTERADAS AS FORÇAS ELÉTRICAS.
QUE MUDANÇAS OCORRERIAM AO NOSSO MUNDO?
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A PARTIR DE AGORA VAMOS INVERTER A SITUAÇÃO:
IMAGINE O QUE ACONTECERIA COM A TERRA SE
MANTIVERMOS A FORÇA GRAVITACIONAL E
"DESLIGÁSSEMOS" AS FORÇAS ELÉTRICAS.
Desafio n° 02 Uma vez que são as forças elétricas que predem o núcleo
atômico aos elétrons, se desligarmos tais forças os elétrons
se despreenderiam. Desse modo, os átomos,as moléculas
e os corpos sólidos dexariam de existir. Os núcleos atômicos
continuariam a existir, porque o que mantém os prótons
ligados uns aos outros e aos nêutrons é uma outra força, de
natureza também atrativa denominada de força forte.
Como resultado desse processo, a Terra se tornaria um
grande aglomerado de núcleos atômicos, cujo volume
ocupado seria muito menor.
Isso é explicado pelo fato de que um núcleo atômico é
cerca de 100.000 vezes menor que
o tamanho do átomo.
Desafio n° 03
SE AS FORÇAS ELÉTRICAS FOSSEM DESLIGADAS,
A MASSA DA TERRA SOFRERIA ALTERAÇÃO???
Para responder a esse desafio procure levar em conta as
massas das partículas que constituem o átomo. Lembre-se
que os prótons e os nêutrons têm massa praticamente iguais
e que a massa do elétron é cerca de 1840 vezes
menor que a massa de um próton.
Sendo assim, a massa do núcleo
atômico representa 99,99% da
massa do átomo!
Para orientar o seu pensamento não esqueça que os átomos
são constituídos de partículas eletrizadas e que isso
possibilita não somente a estabilidade deles bem como a
união entre eles.
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 A interação elétrica e os
 aglomerados de matéria
Os elétrons estão "presos" ao núcleo devido
às forças elétricas. Tais forças são atrativas já
que as cargas elétricas dos prótons e dos
elétrons são de tipos diferentes.
É devido também à interação elétrica que os
átomos se juntam formando moléculas, que
representam a menor parte de uma
substância. Estas, por sua vez, ligam-se umas
às outras, também por forças atrativas de
natureza elétrica.
Assim sendo, tais forças é que são
responsáveis pela coesão e propriedades
elásticas dos sólidos, pelas propriedades dos
líquidos como a viscosidade e também pelas
propriedades dos gases.
RAPIDINHAS E BOAS
a. os gases não têm forma nem volume, conforme já estudamos.
Explique, utilizando a idéia de interações elétricas entre as
moléculas e entre as partículas que formam os átomos.
b. a olho nú temos a sensação que uma folha de papel é um
contínuo de matéria. E do ponto de vista atômico?
Desafio n° 04
PORQUE NÃO OBSERVAMOS OS EFEITOS ASSOCIADOS
AOS CAMPOS ELÉTRICO NOS MATERIAIS?
O papel desta folha, por exemplo, é formado por cargas
elétricas que interagem entre si: os prótons se repelem
enquanto os prótons atraem os elétrons. O mesmo se pode
falar para os outros tipos de materiais.
No estado neutro, a quantidade de prótons é igual a de
elétrons e não sentimos a presença dos campo elétricos
criados por tais cargas elétricas. Por que isso acontece?
Podemos pensar que os campos elétricos criados por estas
cargas estão "escondidos" uma vez que as quantidades
destas cargas são iguais. Os átomos são muito pequenos e
à uma certa distância, os elétrons parecem estar muito
próximos dos prótons. Isso faz com que o campo elétrico
de um seja praticamente encoberto pelo campo do outro.
Sendo assim, embora o campo elétrico das partículas que
formam o átomo influencie as dos átomos vizinhos,
formando moléculas, ele não é percebido a grandes
distâncias, quando comparadas ao tamanho do átomo.
AGORA, A penÚLTIMA...
Quando ocorre eletrização por atrito, pode-se
perceber a presença dos campos elétricos produzidos
pelos prótons e elétrons. Como se explica?
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29
Exercícios: geradores e
outros dispositivos ( 2a parte)
EXEXEXEXEXEXERCÍCIOS
Vamos fazer uma
revisão do que você
aprendeu sobre as
pilhas, baterias e as
propriedades elétricas
da matéria
( Processos de separação de cargas elétricas, lei de Coulomb)
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29 Exercícios: processos de separação de cargas elétricas, lei de Coulomb
1. Um estudante possui um rádio que funciona com uma
voltagem constante de 6 V.
a) Quantas pilhas secas deve o estudante associar em série
para fazer funcionar o seu rádio?
b) Faça um desenho mostrando como deve ser a disposição
das pilhas na associação feita pelo estudante.
2. Qual é o tipo de corrente fornecida pelas companhias
elétricas às nossas residências?
3) Descreva como é montada uma baterria de automóvel.
4. Quando ligamos os pólos de uma bateria por meio de
um fio condutor, qual é o sentido:
a) da corrente que passa neste fio?
b) do movimento dos elétrons livres?
5. Os dínamos. os alternadores e os acendedores de fogão
sem fio, podem ser classificados como fontes de eneergia
elétrica.
a. explique por que isso é correto.
b. quais as transformações de energia envolvidas.
6. Quais as maneiras pelas quais podemos eletrizar objetos
inicialmente neutros. Explique cada um deles.
7. Tomar choque elétrico ao passar pelo tapete ou ao deslizar
sobre o assento do automóvel é uma experiência bastante
comum.
a. explique porque isso ocorre.
b. por que esse efeito não ocorre quando se está parado
sobre o tapete?
8. A respeito do acumulador de cargas construído na
aula 27, responda?
a. qual ou quais os processos de eletrização envolvidos?
b. como se explica o surgimento da faísca elétrica?
9. Segundo a Lei de Coulomb, o valor da força elétrica
entre duas cargas é:
I. proporcional ao produto das cargas;
II. proporcional à distância entre as cargas;
III. inversamente proporcional ao quadrado da distância
entre as cargas;
IV. inversamente proporcional ao produto das cargas
Das quatro airmações acima, estão ERRADAS:
a. I e III
b. II e IV
c. II e III
d. I,II e IV
e. I e II
10. Apesar de a olho nú parecer "cheio" um pedaço de
matéria é na verdade um aglomerado de átomos na escala
microscópica, onde prevalece o vazio.
a. a afirmação acima é verdadeira ou falsa? justifique.
b. explique então por que podemos colocar um objeto
sobre outro e ele assim permanece.
1
1
5
11. As figuras abaixo ilustram o campo elétrico criado por
uma ou duas cargas próximas. Identifique o sinal de cada
carga.
a.
b.
 teste seu vestibular...
1. Um íon imerso num campo elétrico ficará:
a)( ) sempre sujeito à ação de uma força magnética.
b)( ) sob a ação de força elétrica, sempre que estiver em
movimento.
c)( ) sob a ação de força elétrica, qualquer que seja sua
posição em relação à linhas de campo.
d)( ) sob a ação de força elétrica, se estiver em movimento
não paralelo às linhas de campo.
2. A corrente elétrica que passa por um fio metálico:
a)( ) só produz campo elétrico.
b)( ) só produz campo magnético no interior do fio.
c)( ) apresenta no condutor o efeito joule e produz um
campo magnético ao seu redor.
d)( ) produz campo magnético somente se a corrente for
variável.
e)( ) n.d.a.
3. Uma partícula eletrizada tem 3 gramas de massa e carga
elétrica 3. 10-9 C. Ela está em repouso sob a ação do campo
elétrico e do campo gravitacional terrestre. Considerando
que g= 10m/s2, responda:
a. qual deve ser a direção e sentido do campo elétrico?
justifique.
b. qual o valor da força elétrica que age sobre a carga?
c. qual o valor do campo elétrico na região onde se encontra
a carga?
c.
1
1
6
4. Três esferas de isopor, M, N e P, estão suspensas por
fios isolantes. Quando se aproxima N de P, nota-se uma
repulsão entre estas esferas; quando se aproxima N de
M, nota-se uma atração. Das possibilidades apontadas
na tabela abaixo, quais são compatíveis com as
observações?
5. Se um condutor eletrizado positivamente for
aproximado de um condutor neutro, sem tocá-lo, pode-
se afrmar que o condutor neutro:
a. conserva sua carga total nula, mas é atraído pelo
eletrizado.
b. eletriza-se negativamente e é atraído pelo eletrizado.
c. eletriza-se positivamente e é repelido pelo eletrizado.
d. conserva a sua carga total nula e não é atraído pelo
eletrizado.
e. fica com a metade da carga do condutor eletrizado
6. Duas cargas elétricas Q e q se atraem com uma força
elétrica F. Para quadruplicar a força entre as cargas, é
necessário:
a. duplicar a distância entre elas;
b. quadruplicar a distância entre elas;
c. dividir por dois a distância entre elas;
d. dividir por quatro a distância entre elas;
e. duplicar o valor de Q ou de q.
7. O ponto O está imerso numa região onde há um campo
elétrico produzido por duas placas I e II. Qual dos vetores
melhor representa o campo elétrico nesse ponto?
+
-
 . O
a. d.
b. e.
c.
8.Três pequenas esferas estão carregadas elétricamente com
cargas q
1
,q
2 
e q
3 
 e alinhadas sobre um plano horizontal
sem atrito, conforme a figura.
Nesta situação elas encontram-se em equilibrio. A carga da
esfera q
2 
é positiva e vale 2,7.10-4 C.
a. detemine os sinas das outras cargas .
b. calcule os valores de q
1
 e q
3
 .
c. se q
1
 e q
3 
 forem fixas o que ocorrerá com q
2 
?
↑↑↑↑↑
↓↓↓↓↓
→→→→→
←←←←←
n.d.a
P O S S I B I L I D A D E M N P
1 + + -
2 - - +
3 ze ro - ze ro
4 - + +
5 + - -
II
I
GREF - Eletricidade/eletro5.pdf
leituras de
física
GREF
versão
 preliminar
ELETROMAGNETISMO
para ler, fazer e pensar
30. Diferentes formas de comunicação
31. Alô,...,pronto. Desculpe , engano!
32. Radio ouvintes
33. Plugados na Televisão
34.Luz, câmara,..., AÇÃO!
35.Transmissão aérea de informações
36.Radiações Eletromagnéticas
37.Salvando e gravando
38.Tamanhos são documentos
39. Partículas e interações
40. Exercícios
30 a 40
Leituras de Física é uma publicação do
GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física
Instituto de Física da USP
EQUIPE DE ELABORAÇÃO DAS LEITURAS DE FÍSICA
Anna Cecília Copelli
Carlos Toscano
Dorival Rodrigues Teixeira
Isilda Sampaio Silva
Jairo Alves Pereira
João Martins
Luís Carlos de Menezes (coordenador)
Luís Paulo de Carvalho Piassi
Suely Baldin Pelaes
Wilton da Silva Dias
Yassuko Hosoume (coordenadora)
ILUSTRAÇÕES:
Fernando Chuí de Menezes
Mário Kano
GREF - Instituto de Física da USP
rua do Matão, travessa R, 187
Edifício Principal, Ala 2, sala 305
05508-900 São Paulo - SP
fone: (011) 818-7011 fax:(011) 818-7057
financiamento e apoio:
Convênio USP/MEC-FNDE
Sub-programa de educação para as Ciências (CAPES-MEC)
FAPESP / MEC - Programa Pró-Ciência
Secretaria da Educação do Estado de São Paulo - CENP
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junho de 1998
1
1
7
30
Diferentes formas
de comunicação
Vamos descobrir os
mistérios que envolvem
as diferentes modos de
comunicação. Ordene
as cenas de acordo com
a linha do tempo.
1
1
8
30 Som, imagem e telecomunicação
No início deste curso, foi feita uma classificação dos
aparelhos e componentes que integram o que se pode
chamar de "mundo da eletricidade".Isso permitiu a formação
de vários grupos, que se constituiram em temas de estudo.
Um deles foi o chamado elementos de comunicação e
informação. A partir deste momento, faremos um estudo
detalhado de alguns desses elementos.
Rádio, TV, telefone, gravador, toca-discos, video,..., são
exemplos de aparelhos que utilizamos para estabelecer a
comunicação. O
telefone, por
exemplo, permite a
comunicação entre
duas pessoas, já com
o rádio e a TV, a
comunicação se dá
entre muitas pessoas.
Com o telefone, as pessoas se comunicam diretamente
enquanto que com
rádio e TV a
comunicação pode ser
feita "ao vivo" ou
através de mensagem
gravada. Este último
tipo tanbém inclui o
video, as fitas cassetes
e também os cd's.
Tais circuitos elétricos também utilizam o poste como apoio
mas não estão ligados aos circuitos residenciais e, por esse
motivo, quando ocorre interrupção no fornecimento de
energia, os telefones continuam funcionando.
Os telefones celulares, por sua vez, têm sua própria fonte
de energia elétrica: uma bateria, que fica junto ao aparelho.
Além disso, tanto o som emitido como o recebido utiliza
uma antena, através do qual é feita a comunicação. A partir
da antena do
a p a r e l h o
telefônico, a
mensagem é
enviada a outras
antenas que
recebem e
enviam a
mensagem até
que esta seja
captada pela
antena do outro
aparelho .
Um aspecto interessante dos diferentes modos de
comunicação é que algumas vezes se faz uso de fios,
enquanto outras envolvem o espaço.
Nos telefones comuns, por exemplo, a comunicação entre
os aparelhos é feita através de fios que formam grandes
circuitos elétricos independentes da rede de distribuição.
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1
9
Os aparelhos de rádio portáteis também podem ter a
possibilidade de usar fonte de energia próprias: as pilhas.
Tais fontes, fornecem energia para a funcionamento dos
componentes internos dos aparelhos. Outras vezes a
fonte de energia é a usina e aí o aparelho está conectado
à tomada.Independente do tipo de fonte utlizada. é através
da antena que as mensagens são recebidas.
De forma semelhante ao rádio, a televisão também
necessita de uma fonte de energia, que em geral é a usina
quando o aparelho é ligado à tomada, para fazer funcionar
seus componentes internos. Mas as mensagens, incluindo
-se o som e as imagens, são recebidas através de uma
antena conectada ao aparelho. Tal antena, hoje em dia,
pode ser interna, externa, coletiva, parabólica, dentre
outros tipos.
Mais recentemente, as chamadas tv's a cabo, rebecem as
mensagens através de fios e não mais por meio de antenas.
Eles são especialmente colocados para esse fim e fixados
aos postes de rua.
Nas comunicações internacionais, seja por telefone ou TV,
além das antenas
locais se faz uso
dos satélites
a r t i f i c i a i s ,
colocados em
órbita através de
foguetes, ficando a
aproximadamente
40.000 km da
Terra.
Eles recebem as mensagens
e retransmitem para a Terra
aos locais onde encontram-
se as antenas das estações.
A energia de um satélite é
obtida
com as baterias
solares que cobrem as suas
paredes exernas. Quando
ele encontra-se na parte na
sombra da Terra ele é
alimentado pelas baterias.
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2
0
exercitando...
1. Que elementos ou dispositivos ou aparelhos fazem
parte dos sitemas de comunicação que mais usamos
nos dias de hoje? A figura ao lado é uma dica para
você se inspirar na resposta.
2. Retome a figura que abre esta leitura (página 117) e
procure numerá-las de acordo com o aparecimento de
cada forma de comunicação ao longo da história da
humanidade.
3. Na comunicação através de sons hoje em dia, alguns
dispositivos são comuns. Quais são eles?
4. Os micros computadores utilizam mensagens
gravadas em diversos meios. Quais são eles?
6. Na comunicação que utiliza rádio, as informações chegam
ao aparelho pela tomada ou pela antena?
7. No caso da televisão, o som e a imagem chegam até o
aparelho pela tomada, pela antena ou por ambas?
8.A presença de matéria
entre a estação transmissora
de informações e os
aparelhos receptores é
necessária para a ocorrência
da comunicação de sons e/
ou imagens?
5. Através do processo de magnetização, podemos gravar
sons e imagens. Que dispositivos utilizam esta forma de
guardar informações?
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2
1
31
Alô,..., pronto.
Desculpe, engano!
Nessa aula você vai
aprender como o som é
transformado em
eletricidade e depois
recuperado como som
Alô .... pronto; desculpe ..... engano.
Quem não disse uma destas frases ao
telefone! Mas quem sabe o que ocorre com a
voz que vai e a voz que vem?
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2
31 Microfone e Alto-falante
O microfone é um dispositivo utilizado para converter o
som - energia mecânica -
em energia elétrica. Os
modelos mais comuns
possuem um diafragma
que vibra de acordo com
as pressões exercidas
pelas ondas sonoras.
No microfone de indução,
as variações de pressão do
ar movimentam uma
bobina que está sob ação de
um campo magnético
produzido por um ímã
permanente. Nesse caso, com
o movimento, surge na bobina
uma corrente elétrica induzida
devida à força magnética, que
atua sobre os elétrons livres do
condutor.
Nos microfones mais antigos - os que utilizam carvão - as
variações de pressão do ar atingem o pó de carvão,
comprimindo-o e descomprimindo-o. Este pó de carvão
faz parte de um circuito elétrico que inclui uma fonte de
energia elétrica. A compressão aproxima os grãos de
carvão, diminuindo a resistência elétrica do circuito. Desta
forma, a corrente elétrica varia de intensidade com o
mesmo rítmo das alterações da pressão do ar.
Atividade: Operação desmonte
Arrume um alto-falante usado, que possa ser
desmontado mas antes, observe-o e responda as
questões a seguir:
a. que materiais fazem parte de sua fabricação?
b. o que torna o alto falante tão pesado?
c. qual o elo de ligação entre o cone de papelão e a
base?
d. agora sim! abra o interior do alto-falante e verifique
os demais compomentes
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3
Como a bobina e o cone estão unidos quando ela entra em
movimento, as vibrações mecâncias do cone se transferem
para o ar, reconstituindo o som que atingiu o microfone.
A corrente elétrica obtida no microfone, que representa o
som transformado, é do tipo alternada e de baixa
frequência. Assim, o som transformado em corrente elétrica
pode ser representado conforme a figura a seguir.
No alto-falante ocorre a transformação inversa àquela do
microfone:a corrente elétrica é transformada em vibrações
mecânicas do ar, reconstituindo o som inicial.
Para tanto, é necessário o uso de uma bobina, um cone
(em geral de papelão) e um ímã permanente ou um
eletroímã.
Quando a corrente elétrica, que representa o som
transformado, se estabelece na bobina do alto-falante, pelo
fato de ela estar sob a ação de um campo magnético criado
por um ímã (ou por um eltroímà), a bobina com corrente
elétrica fica sob a ação de forças e entra em movimento.
A intensidade das forças magnéticas depende da
intensidade da corrente elétrica que atinge a bobina.
Os primeiros alto-falantes surgiram entre 1924 e 1925, como
equipamento capaz de amplificar o som produzido pelos
fonógrafos elétricos primitivos.
Para melhorar a reprodução e reduzir os efeitos de
interferência, o alto-falante passou a ser montado em caixa
acústica.
As caixas acústicas de alta qualidade possuem sempre mais
de um alto-falante, para cobrir melhor toda faixa de
frequência audíveis. As unidades pequenas (tweeters), com
diafragma de apenas 3 a 5 cm, são responsáveis pela faixa
de frequência dos sons agudos. Além do tweeter (uma ou
mais unidades), a caixa deve possuir um alto-falante de
baixa frequência (woofer) de 25 cm (10 polegadas) de
diâmetro, cobrindo a faixa de frequência que vais
aproximadamente 300 a 500 hertz, e uma unidade de
frequência intermediária, de mais ou menos 15cm (6
polegadas) de diâmetro, apresenta entre 500 hz e 4 k Hz.
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2
4
As ondas sonoras são variações da pressão do ar, e
sua propagação depende assim de um meio material.
À medida que a onda se propaga, o ar é primeiro
comprimido e depois rarefeito, pois é a mudança de
pressão no ar que produz o som.
 As ondas sonoras capazes de ser apreciados pelo
ouvido humano têm frequências variáveis entre cêrca
de 20 hertz e 20 000 hertz.
A voz feminina produz um som cuja freqüência varia
de entre 200 Hz a 250Hz, enquanto a masculina
apresenta uma variação de 100 a 125 Hz.
Para transmitir a voz humana ou uma música é preciso
converter as ondas sonoras em sinais elétricos, e depois
reconvertê-los em sonoras a fim de que possam ser
ouvidas. O primeiro papel é desempenhado pelo
microfone e segundo pelo alto-falante.
No ar à temperatura ambiente, o som se propaga com
uma velocidade aproximada de 340m/s. Já a luz viaja
a quase 300.000 km/s. É por esta razão que o trovão
é ouvido depois da visão do relâmpago.
Que tal um pouco de som?
matéria temperatura
(C)
velocidade
(m/s)
água 15 1450
ferro 20 5130
granito 20 6000
Além da freqúência, as ondas sonoras também são
caracterizadas pelo seu tamanho ou comprimento de
onda.
Esse comprimento pode ser calculado por uma
expressão que o relaciona com sua freqüência e
velocidade de propagação:
 velocidade = freqúência x comprimento de onda
Para se ter uma idéia do tamanho das ondas sonoras
audíveis pelos seres humanos, basta dividirmos o valor
da velocidade de sua propagação pela sua freqüência.
Assim, para 20Hz, o comprimento da onda sonora será
de 17 metros. Já para ondas sonoras de 20.000 Hz, o
comprimento da onda será de 1,7 cm.
As ondas sonoras são ondas mecânicas que precisam
de um meio material para se propagarrem, provocando
vibração deste meio no mesmo sentido de sua
propagação. Por esta razão, elas são denominadas de
ondas longitudinais. O vácuo não transmite o som,
pois ele precisa de um meio material para se propagar.
exercitando...
1.De que modo o
microfone de indução faz a
transformação do som em
corrente elétrica?
2.Qual o princípio de
funcionamento do
microfone que usa carvão?
3.Qual o tipo de
transformação de energia
que ocorre no alto-falante?
4. O som se propaga no
vácuo? justifique.
5. Calcule o comprimento
de onda de uma onda
sonora cuja freqüência é
250Hz e se propaga no ar
com uma velocidade de
340 m/s.
6.Calcule o comprimento
de onda do som do
exercício anterior,
admitindo que sua
propagação agora se dá na
água com uma velocidade
de 1400 m/s.
7. As ondas sonoras tem
freqüência de 20 a 20.000
Hz. Que valores de
comprimento de onda
delimitam estas
freqüências?
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2
5
32
Rádio
ouvintes
O que acontece quando
sintonizamos uma
estação de rádio você
vai saber nesta aula.
Se ligue!
O mecanismo que envolve a transmissão de uma
informação de algo que ocorre distante ou próximo de
nós parece algo extraordinário ou mágico. É mesmo!
E a Física pode ajudar-nos a compreender
um pouco mais esse mecanismo.
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6
32 Rádio
 O estudo de como um rádio consegue captar os sinais transmitidos pelas estações começará com esta
atividade, onde identificaremos algumas de suas partes essenciais e as funções que desempenham.
Assim, é fundamental ter à mão um 'radinho'. Siga o roteiro de investigação
abaixo e faça suas anotações
no caderno.
Qualquer aparelho de rádio apresenta um botão para
sintonia da estação, outro para volume, visor para
identificação da estação, alto-falante e antena (mesmo o
"radinho de pilha" tem uma antena que se localiza na parte
interna do aparelho), além de uma ligação com a fonte de
energia elétrica (pilha e/ ou tomada).
A função desta fonte de energia é fazer funcionar o circuito
elétrico interno do aparelho. As mensagens são recebidas
através da antena que pode ser interna ou externa.
Posteriormente, o som, ainda transformado em corrente
elétrica, é enviado até o circuito do alto-falante.
O papel alumínio, age como um espelho em relação à luz
e, por isso, o rádio deixa de receber as informações quando
embrulhado.
Mesmo desligado, a antena está recebendo as informações
transmitidas pelas estações, entretanto, elas não são
transformadas e recuperadas como som, pois os circuitos
elétricos enconstram-se desligados.
 1. Que informações encontram-se no visor das
 estações?
 2. Quais são os comandos com os quais usamos o
 aparelho?
 3. Que fonte de energia ele utiliza?
 4. Por onde são recebidas os sinais emitidos pelas
 estações?
5. Embrulhe um rádio portátil ligado em papel alumínio.
 O que ocorre?
6. Aproxime o rádio ligado a um liquidificador ligado.
 O que ocorre?
O sistema pelo qual transmitimos o som do rádio envolve
várias etapas. No microfone da estação até o alto-falante
do aparelho receptor, o som passa por várias fases e sofre
diversas transformações:
- produção de som pela voz humana, música, etc;
- as ondas sonoras, que são variações da pressão do ar que
atingem o microfone;
- no microfone o som é convertido em corrente elétrica
alternada de baixa frequência;
- esta corrente elétrica de baixa frequência é "misturada"
com uma corrente de alta frequência, produzida na estação.
que serve para identificá-las no visor do aparelho. Além
disso, esta corrente elétrica de alta freqúência serve como
se fosse o veículo através do qual o som será transportado
através do espaço até os aprelhos de rádio;
OBSERVAÇÃO DO RÁDIO PORTÁTIL
1
2
7
- essa "nova" corrente elétrica se estabelece na antena da
estação transmissora e através do espaço a informação se
propaga em todas as direções;
- a antena do aparelho de rádio colocada nesse espaço
captará essa informação;
- se o aparelho estiver sintonizado na frequência da corrente
produzida pela estação, o som poderá ser ouvido pelo
alto-falante.
Tanto para enviar o som até os aparelhos como para
sintonizar a estação é necessário um circuito chamado de
circuito oscilante, constituído de uma bobina e de um
capacitor.
Para carregar as placas do capacitor basta ligá-lo aos
terminais de uma bateria. Isso provocará um movimento
de cargas tal que as placas ficarão eletrizadas positivamente
e negativamente.Nessa situação dizemos que o capacitor
e s t a r á
completamente
c a r r e g a d o .
Nessa situação
dizemos que o
capacitor estará
completamente
carregado.
Ligando-se o capacitor carregado a uma bobina (fig. a),
surge uma corrente elétrica variável no circuito. Esta
corrente, cria um campo magnético ao redor do fio que é
também variável (fig.b).
De acordo com a lei de
Faraday, a variação deste
campo fará induzir no
circuito, e sobretudo na
bobina, um campo
elétrico. Este campo,
agirá de forma a tonar
mais lento o processo de
descarga do capacitor,
conforme prevê a lei de
Lenz (fig.c).
Posteriormente, ele
servirá para recarregar as
placas do capacitor
(fig.d).
Tais "capacidades"dependem
fundamentalmente de suas
dimensões geométricas.
Desse processo de carga
e descarga do capacitor
resulta uma corrente elétrica do tipo alternada. A frequência
desta corrente dependerá da "capacidade" do capacitor
de acumular cargas e também da "capacidade" de indução
da bobina. Alterando-se tais "capacidades", podemos obter
correntes alternadas de qualquer freqüência.
É justamente isso que fazemos quando mexemos no botão
de sintonia do aprelho para localizar uma estação de rádio.
Para ajustar a freqüência do circuito oscilante do rádio com
a da estação que desejamos sintonizar, alteramos a área de
eletrização do capacitor, ao girarmos o respectivo botão.
A área de eletrização utilizada
corresponde à parte comum
nas duas placas, indicada com
a cor cinza escura nas duas
posições da figura.
A bobina é um fio condutor enrolado em forma de espiral
e o capacitor é constituído de duas placas condutoras,
separadas por um material isolante e representado no
circuito pelo símbolo ( ). Os dois traços verticais
representam as placas separadas pelo isolante.
 A CORRENTE ALTERNADA NO CIRCUITO OSCILANTE
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Não chute qualquer
resposta. Faça na
prática e comprove!
 exercitando...
1. Em que unidades estão medidas e qual é a grandeza
que nos permite identificar uma estação de rádio?
2. Essa grandeza se refere a que?
3. Qual o comportamento apresentado pelas chamadas
ondas de rádio, quando envolvemos um rádio portátil
em:
a. papel comum
b. plástico
c. papel celofone
d. papel alumínio
4. Para que servem as pilhas ou a energia elétrica que
chega através dos fios?
5. Do que é composto o corcuito oscilante e como estão
ligados?
6. Qual a função do circuito oscilante na recepção de
uma estação de rádio?
7. Quando mexemos no botão de sintonia, que alteração
elétricos estão ocorrendo no circuito oscilante? Explique.
8. Que outros sinais podem ser captados por um rádio?
Dê exemplos.
9. Indique as transformações pelas quais passa o som
desde sua origem, na estação, até este ser chegar junto
a um ouvinte.
10. É possível fazer um rádio funcionar sem fonte de
energia elétrica (pilha, bateria ou mesmo usina)?
Rádio SEMSEMSEMSEMSEM pilha ( sem bateria, sem tomada, ...)
É possível fazer um rádio sem aumentar
o consumo na conta de luz ou pilha! Siga
as intruções e monte o seu!
Lista de material
. base de madeira (25x25cm);
. canudo de papelão ou PVC de
15cm de comprimento de 3cm;
. 45m de fio de cobre esmaltado
número 28 ou 30;
. fone de ouvido simples;
. 2 capacitores de cerâmica: um de
250pF (C1) e um de 100pF (C2);
. diodo de silício ou germânio;
.15 percevejos;
. fita adesiva e lixa fina
diodo
fio terra
capacitor C1
bobina
fone
de
ouvido
capacitor C2
antena: use aproximadamente 20 m de fio e coloque a 5m de altura do chão;
bobina: enrole 100 voltas do fio de cobre no canudo de modo que elas fiquem bem juntas;
fixe as extremidades com fita adesiva; lixe as pontas e 1cm de largura ao longo da bobina;
capacitores: C1 é ligado em paralelo à bobina; C2 é ligado no diodo e no fio terra.
diodo é ligado entre os capacitores e o fone nos terminais do C2.
DICAS PARA MONTAGEM
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33
Plugados na
Televisão
O mecanismo pelo qual
um aparelho de TV
reconstitui a imagem
recebida, será
desvendado nestas
páginas! Tome atento.
 Como a informação sobre
a imagem é captada pelos
aparelhos de TV? De que
maneira o aparelho de TV
reproduz na tela cenas
que se passam a distância?
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0
33 Televisão
Ao ligarmos um aparelho de TV, trazemos para dentro de
nossas casas imagens e sons referentes a acontecimentos
que estão ocorrendo ou que já ocorreram em determinados
locais. Esses aparelhos, tal como os rádios, funcionam como
um terminal de comunicações, estabelecendo uma "ponte"
com o local onde a informação é gerada e transmitida.
O processo de transformação do som em corrente elétrica
na comunicação televisionada é o mesmo já discutido no
rádio. Portanto, vamos nos deter em como a imagem em
branco e preto é gerada e produzida.
Na estação geradora de imagem, a cena a ser transmitida
é focalizada pela câmara de TV. Esta faz a "leitura" da cena
linha por linha, como fazemos a leitura de um livro da
esquerda para a direita e de cima para baixo . Nesse processo
as variações de luninosidade de cada pequena região da
cena captada são transformadas em corrente elétrica.
Assim, na comunicação que envolve a imagem, a câmara
de TV é o dispositivo reponsável pela sua captação e sua
transformação
em corrente elétrica.
Roteiro de observação e atividades junto ao aparelho de TV
1. A televisão necessita de uma fonte de energia que
geralmente é a usina. Qual é sua função?
2. Os sinais emitidos pelas estações são recebidos por
onde?
3. Ligue um aparelho elétrico: liquidificador, furadeira,
perto de um aparelho de TVligada. O que ocorre?
4. Os números que identificam as estações de rádio
são muito diferentes das estações de TV. Procure saber
junto a um técnico, informações a esse respeito.
1
3
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O tubo de imagem é o elemento essencial nos aparelhos
de TV. Sua função é inversa daquela realizada pela câmara
de TV, ou seja, a de transformar a corrente elétrica variável
gerada por ela em imagem.
O feixe eletrônico faz a varredura da tela de TV de modo
semelhante à leitura de um livro. Tal varredura é feita
com certa rapidez para que nossos olhos não percebam
o desaparecimento de uma linha e o surgimento de
outra, e além disso, nos dê a sensação de movimento
da imagem. Para tanto, é levado em conta a condição
que tem a retina dos nossos olhos em reter a imagem de
um ponto luminoso durante 1/20s após a mesma ter sido
recebida: é o que se denominada persistência visual.
O tubo da imagem possui um filamento que, estando
superaquecido, libera elétrons por efeito chamado
termoiônico. A parte interna da tela é recoberta por um
material que emite luz ao receber o impacto dos elétrons
do feixe. Este fenômeno é denominado
fotoluminescência. O fósforo possui esta propriedade,
por isso é o material utilizado no revestimento da tela da
TV.
Ao sintonizarmos uma estação de TV, o aparelho receptor
seleciona a corrente elétrica, que representam as imagens.
Esta corrente variável é aplicada ao filamento do tubo de
imagem e produz um feixe eletrônico cuja intensidade
varia no mesmo ritmo.
O material que recobre internamente a tela de TV possui a
propriedade de continuar emitindo luz durante um período
de tempo após receber o impacto do feixe eletrônico. Esse
fenômeno é denominado fosforescência.
Assim, o sistema de varredura da tela de TV pelo
feixe eletrônico leva em conta a persistência visual
e a fosforescência do material.
No Brasil, a tela de TV é composta por 252 linhas
por quadro, e o feixe eletrônico tem que fazer a
varredura dessas linhas completando 30 quadros
por segundo. Essa frequência na sucessão de
quadros está ligada com a persistência visual, pois
quando um quadro é susbstituído pelo seguinte, ainda
persiste naretina a imagem do quadro anterior.
Televisão Colorida
Na televisão colorida, a tela do tubo de imagem é recoberta com milhares de pontos fosforescentes em
grupos de três. Cada um desses três pontos produz uma das três cores primárias, vermelho, verde ou azul,
quando sobre ele incide o feixe de elétrons, um para cada cor primária. Em um tubo de imagens coloridas, há
três canhões de elétrons, um para cada cor primária. Os feixes desses canhões passam através de pequenos
orifícios em uma placa reguladora de modo que
cada canhão excitará apenas os pontos
fosforescentes de cor apropriada. contudo dois
dos canhões , ou todos os três, podem agir no
mesmo instante. A intensidade do feixe e,
portanto, o brilho da côr, são controlados pelas
cores que a câmara vê. Deste modo, pode ser
produzida qualquer variação de colorido. Estes
três feixes varrem a tela do tubo de imagens,
cobrindo o tubo completamente trinta vezes por
segundo e produzindo uma radiante imagem
colorida.
O tubo de imagem
1
3
2
A eletricidade e o magnetismo
dando aquela força para a imagem exercitando...
1. Através de que processo é obtida a luminosidade na tela do aparelho
de TV?
2. O que é persistência visual? Que papel ele desempenha quando
assistimos TV?
3. De onde são retirados os elétrons que formam o feixe eletrônico? Que
nome recebe o processo envolvido e como ele ocorre?
4.Como se obtém a varredura da tela pelo feixe eletrônico? Explique o
processo.
 teste seu vestibular
1. Um feixe de elétrons incide, horizontalmente, no centro de um anteparo,
conforme a figura.
a. estabelecendo-se, na
região, um campo magnético
vertical e para cima, o feixe
de elétrons desviará. Que
posição ele atinge o
anteparo?
b. se além do campo
magnético, for aplicado um
campo elétrico, vertical e para
baixo, qual a posição que o
feixe atingira no anteparo?
O feixe eletrônico é constituído de elétron em alta velocidade. Em
colisão com o material fosforescente da tela, surge um ponto luminoso,
que corresponde à transformação de energia cinética em luminosa.
Para obter-se este efeito, os elétrons provenientes do filamento precisam
ser acelerados para atingirem altas velocidades. Além disso, para que
possam fazer a varredura de todos os pontos da tela, eles precisam ser
desviados.
Para que os elétrons do feixe sejam acelerados, um campo elétrico,
produzido por placas eletricamente carregadas, é produzido na região
próxima ao filamento. Através da ação deste campo sobre os elétrons,
que são partículas eletricamente carregadas, eles ficam sob a ação da
força elétrica, cujo valor é calculado pela equação: F
e
 = q
e
x E.
Já o desvio do feixe elétrônico é obtido com a ação de uma força de
natureza magnética. Para tanto, através de dois pares de bobinas,
colocados nas direções vertical e horizontal, são criados dois campos
magnéticos na região onde vão passar os elétrons que formam o feixe.
Tais campos magnéticos são originados por correntes elétricas. Devido
à interação que existe entre os campos magnéticos e os elétrons em
movimento, uma força de natureza magnética altera a direção de
movimento e, portanto, o local onde se dará sua colisão com a tela. Esta
força magnética, tem um valor que
pode ser calculado pelac expressão:
F
m 
= q
e
 . B . v, considerando que o
ângulo entre a velocidade dos elétrons
e os campos magnéticos é 900.
A direção e o sentido desta força pode
ser obtida fazendo uso da "regra da mão
esquerda, conforme indica a figura:
1
3
3
filme: O meu carregador
cena 12 - tomada externa
 versão 15 - bloco 4
Luz, câmara,...,
AÇÃO!
Como a câmara de
TV capta a imagem
da cena e a
transforma em
eletricidade? É só
você acompanhar as
páginas a seguir!
34
1
3
4
34 Luz, câmara,..., AÇÃO!
Sua focalização é feita pela objetiva e, através de um arranjo
de lentes, a imagem desta cena é projetada sobre uma
tela de mica recoberta de material sensível à luz. Este
material, ao ser atingido pela luz, produz uma separação
de cargas com os elétrons desligando-se dos seus átomos.
Como resultado deste processo, tem-se a formação de
uma eletrização
nesta tela onde
cada pequena
região eletriza-
se de acordo
com o grau de
luminosidade
da cena
focalizada.
O aparelho de TV que temos em nossas casas, recebe sinais
de som e imagem que são transmitidos pela estação.Para
transmití-los, é necessário transformar sons e imagens em
corrente elétrica. O som é transformado em corrente elétrica
pelo microfone e as imagens são transformadas em corrente
elétrica com o uso da câmara de TV. Vejamos como isso
acontece.
A cena
focalizada é
uma região que
difunde a luz
produzida ou
pelo Sol ou
pelas lâmpadas
quando se trata
de um estúdio.
A câmara de TV A transformação da cena em
imagem eletrostática
Semelhanças e diferenças na captação da
imagem: aponte umas e outras observando uma
câmara fotográfica e a câmara de TV
1
3
5
Na face frontal da tela acumulam-se
cargas positivas e na outra face as
cargas negativas. Quanto maior a
luminosidade, maior a eletrização
produzida no material fotossensível.
O processo de transformação da cena em corrente elétrica
é completado com a varredura da imagem eletrostática da
cena, que é realizada por um feixe eletrônico semelhante
ao existente no tubo de tv. A varredura do feixe
corresponde à leitura da cena, linha por linha e o seu
direcionamento é controlado pela interação do campo
magnético produzido por corrente elétrica em bobinas.
Tal processo de "leitura" corresponde ao descarregamento
das regiões eletrizadas onde se
encontram as cargas positivas.
Assim,
tais regiões são
neutralizadas e as cargas negativas
da face posterior de movem
através de um circuito conectado
à placa, formando uma corrente
elétrica proporcional à carga
postiva existente. Assim, o
resultado da varredura de todo
o mosaico corresponde à
transformação da imagem
eletrostática nele projetada em
corrente elétrica variável.
corrente elétrica
O feixe elétrônico é constituido de elétrons retirados de
um filamento super aquecido, por um processo semelhante
ao do tudo da TV: efeito termoiônico.
Através da ação de um campo elétrico, eles são
acelerados.Este dispositivo emissor e acelerador de elétrons
é conhecido como canhão eletrônico.
No Brasil, a tela da câmara de TV tem 525 linhas e a sua
varredura é feita 60 vezes por segundo. Já em países onde
a corrente elétrica da rede tem 50 Hz de freqüência, a
tela é dividida em 625 linhas.
É a quantidade de linhas que determina a definição da
imagem.
Numa tela de câmara de TV ou mesmo
de aparelho de TV de alta definição, há
mais de 1000 linhas. Conseqüentemente,
a imagem obtida é muito mais nítida.
feixe eletrônico
O césio é um material que se comporta dessa forma e por
isso é usado no recobrimento da tela de mica. Esta tela
recoberta de grânulos de césio, formando fileiras justapostas
horizontalmente, recebe o nome de mosaico.
Quando o mosaico recebe a imagem da cena focalizada
pela objetiva da câmara, este fica sujeito a ter regiões com
diferentes luminosidades que corresponde às partes da
cena com maior ou menor incidência de luz. As regiões
mais claras da imagem se apresentam eletrizadas com maior
quantidade de cargas positiva que as regiões mais escuras.
A diferença de luminosidade entre o claro e o escuro
corresponde à "imagem eletrostática", constituída de
cargas positivas, da cena que se pretende transmitir.
A "leitura elétrica" da
imagem eletrostática da cena
1
3
6
exercitando ...
Como você já estudou, a luz, entre outras
coisas é também energia!
Assim sendo, quando a luz incide sobre os
materiais, há transferência de energia para
os seus átomos. Algums materiais como o
césio, o berílio, o germânio, perdem alguns
de seus elétrons quando se incide luz sobre
eles.
Quando isso ocorre, os físicos afirmam que
os átomos ficaram eletrizados, pois o
número de prótons ficou maior que o
número de elétrons.
Estes elétrons que se afastaram dos seus
átomos absorveram uma quantidade de
energia além daquela que eles já possuiam
quando ligados aos seus átomos.
Quem forneceu esta quantidade de energia
extra foi a luz que incidiu sobre eles. Este
fenômeno, que é denominado de efeito
fotoelétrico, tem hoje em dia várias
aplicações, dentre as quais as pilhas solares
que alimentam os satélites e naves espaciais,
que fornecem energia elétrica para os seus
aparelhos.*
*ver mais detalhes na leitura 38.
Como é que a luz consegue
eletrizar ?
1. Qual a principal transformação de energia que é feita
pela câmara de TV, considerando o início e o final do
processo?
2. Que efeito a luz exerce sobre a placa de mica recoberta
com césio?
3. O que se entende por "feixe eletrônico" e qual a sua
função neste processo de comunicação?
4. O que é efeito termoiônico?
5. Compare o funcionamento de uma câmara de televisão
e de um tubo de um aparelho de TV. O que de mais
importante se pode concluir? As figuras abaixo, são auxilares
para uma boa resposta.
a. câmara de TV
b. tubo de um televisor
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3
7
35
Transmissão aérea
de informações
Agora você vai saber
como é feita a
transmissão das
programações pelas
estações de rádio e TV.
Qual é a sua onda?
1
3
8
35 Transmissão aérea de informações
Quando descrevemos as principais etapas do processo de
comunicação pelo rádio e pela televisão, a antena foi
identificada como o
elemento através do
qual a propagação da
informação se dá a
partir da estação
emissora e também
como captador da
informação nos
aparelhos recptores (
de rádio e de TV ) que temos em nossas residências.
Na estação transmissora, a antena é conectada a um circuito
de modo que os seus
elétrons livres são
acelerados na freqüência
da corrente que serve de
identificação da própria
estação. Uma versão
simplificada de parte
deste circuito permite-
nos compreender como
se dá esse processo.
O circuito da direita é do tipo oscilante, semelhante ao
analisado na leitura sobre o rádio. Sua função é originar
uma corrente de alta freqüência.É através da freqüência
desta corrente, que são identificadas as estações de rádio
e também os canais de TV. Já o circuito situado a esquerda,
contém uma bobina ligada a um fio reto com extremidade
livre e a outra extremidade ligada à Terra. Este corresponde
ao circuito elétrico da antena sendo denominado de circuito
oscilante aberto.A proximidade entre as duas bobinas dos
dois circuitos permite que a corrente alternada de alta
freqüência existente no circuito oscilante induza uma
corrente também alternada no circuito reto com
extremidade livre.
Desse modo, esta corrente produzirá no espaço ao redor
do fio, um campo magnético, conforme ilustra a figura.
Uma vez que a corrente elétrica induzida no circuito reto é
variável, o campo magnético criado por ela acompanha
estas variações, resultando num campo magnético também
variável.
De acordo com o que prevê a lei de Faraday, numa região
do espaço em que há variação do campo magnético ocorre
a indução de um campo elétrico. Como o campo magnético
varia, o campo elétrico gerado também é variável.
Pelo fato destes campos estarem indivisivelmente ligados
entre si, eles recebem o nome de campo
eletromagnético, o campo total formado por eles.Este
campo, propaga-se para o espaço em todas as direções, a
partir do circuito da antena, com uma velocidade de
300.000 km/seg.
Numa coisa parecida com uma reação em cadeia, ocorre
uma sucessão de campos magnéticos gerando campos
elétricos a partir do fio, conforme ilustra a figura.
Como são enviadas as informações
1
3
9
Se a corrente elétrica no fio da antena varia periodicamente,
isto é, da mesma forma, as variações do campo magnético
se repetirão periodicamente, o mesmo acontecendo com
o campo elétrico gerado.
Podemos dizer que os campos magnéticos e elétricos que
são gerados a partir da antena e se propagam pelo espaço
apresentam uma variação uniforme correspondente a uma
onda, só que eletromagnética.
f
A cada estação, de rádio ou TV, corresponde um certo
valor da freqüência
da onda
eletromagnética que
carrega consigo as
informações que são
transmitidas.
Como todas as
ondas, elas se
propagam com uma
certa velocidade e
com a energia que
transportam, são
capazes de gerarem,
no fio da antena
atingido por elas,
uma corrente
elétrica, que varia na
mesma freqüência da
onda.
Aparelhos como rádio, TV, dentre outros, quando colocados
na região do espaço onde encontra-se o
campo eletromagnético produzido por uma
estação, são capazes de receber e processar
as informações enviadas. Para tanto, eles
dispõem de antenas que podem ser
internas( no caso de rádios portáteis) ou
externas.
Este é o primeiro passo para que a
informação seja recebida, mas não é o
único. O aparelho precisa estar ligado e
sintonizado. Vejamos o que isso significa.
Os aparelhos receptores de rádio e TV têm associados ao
circuito da antena também um circuito oscilante. Para que
este circuito esteja apto a receber todas as estações, o
capacitor deste circuito apresenta a característica que poder
variar a sua capacidade de acúmulo de cargas quando de
sua eletrização.
Quando mexemos no botão de sintonia com o aparelho
ligado, estamos mexendo na posição das placas de um
capacitor variável e, assim, alteramos a sua capacidade de
acumular cargas, para menos (figura a) ou para mais (figura
b).
É esta alteração que torna possível a sintonia das diversas
estações. Isto pode ser explicado pelo fato da freqüência
da onda eletromagnética portadora da informação, ter ou
não "permitida" a sua entrada no circuito oscilante do
aparelho. Esta condição só ocorre quando o carregamento
das placas do capacitor for tal que a corrente elétrica variável
criada neste
circuito, tiver a mesma freqüência da onda
eletromagnética portadora da informação. Somente nesta
condição, o sinal enviado pela estação uma vez chegando
até a antena do aparelho, tem a sua informação processada
pelo mesmo, tornando-a acessível.
A RECEPÇÃO DAS INFORMAÇÕES
capacitor variável:a parte
hachurada indica o local das
placas que pode acumular cargas
fig.a
fig.b
1
4
0
COMO SE PREPARA A INFORMAÇÃO PARA ENVIÁ-LA ATÉ AS ANTENAS ONDE ESTÃO
OS APARELHOS RECEPTORES E COMO SE RECUPERAM AS INFORMAÇÕES
Primeira etapa: codificação da informação
A primeira transformação por que passam som e imagem na etapa de
codificação é a sua transformação em corrente elétrica. Isto é realizado
respectivamente pelo microfone e pela câmara de TV conforme já
discutimos nas leituras 32 e 34. Tais correntes elétricas têm baixa
freqüência e por isso, não são apropriadas para serem aplicadas em
antenas transmissoras.
Assim sendo, a transmissão das informações referentes a som e imagem
requerem um "veículo" que as transporte a longas e médias distâncias.
Este "veículo" são as ondas eletromagnéticas de alta freqüência chamadas
de ondas portadoras. É justamente através do valor da freqüência da
onda portadora que sintonizamos a estação desejada e recebemos as
informaçòes transportadas por ela.
A etapa que permite o envio das informações através da antena -
chamada de modulação - consiste na produção de alterações na
amplitude ou na freqüência da onda portadora de reproduzi-las de
forma idêntica a das correntes elétricas que representam o som ou a
imagem. Para visualizar o processo de modulação, podemos representar,
por exemplo as ondas sonora e de alta freqüência antes (fig. a) e depois
(fig. b).
exercitando ....
Elabore 5 questões que foram respondidas neste texto. Não vale usar
coisas do tipo: o que é, quem disse..., quem fêz..., etc.
Estando o aparelho receptor ligado e uma vez feita a sintonia com a
estação desejada, a onda eletromagnética portadora da informação
codificada, reproduz no circuito do aparelho receptor a corrente elétrica
correspondente.
Posteriormente, esta corrente elétrica acionará um alto falante, se ela
corresponder a um som, ou a um canhão eletrônico se tal corrente
corresponder a uma imagem.
Segunda etapa: recuperação da informação
fig.a
representação
da onda
portadora
e da onda
sonora
fig. b representação da onda sonora modulada em
amplitude (AM) e em freqüência (FM)
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36
Você vai conhecer a
natureza das radiações
e o que distingue uma
da outra
ESPECTRO DAS RADIAÇÕESRadiações
Eletromagnéticas
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4
2
36 Radiações Eletromagnéticas
Além do caráter de síntese, o trabalho de Maxwell anteviu
a possibilidade de novos fenômenos. Um deles se refere
ao fenômeno das radiações eletromagéticas.
Vejamos como:
Quando uma usina hidroelétrica ou termoelétrica entra em
funcionamento, elas transformam energia gravitacional ou
energia química em elétrica, originando corrente elétrica
se o circuito estiver fechado. Nos aparelhos elétricos, a
energia elétrica é transformada em mecânica de rotação (
ventilador, furadeira, liquidificador..); energia térmica (
chuveiro, ferro elétrico,..); energia luminosa ( imagem em
TV, mostradores de calculadora,..); energia sonora, etc.
Fazendo a contabilidade das parcelas das transformações
de energia envolvidas, o balanço energético não coincide,
ou seja, a soma das parcelas de energia que os aparelhos
transformam, não iguala a energia inicial.
Será que o princípio da transformação e da conservação
da energia não se aplica? Então ele deixaria de ser uma
lei universal da natureza. Ou pior, será que ele está
furado??
Maxwell fez uma outra suposição mantendo a fé na
conservação da energia: a parcela de energia que falta
para fechar o balaço energético, corresponde à energia
irradiada para o espaço. Além disso, Maxwell calculou,
através de deduções de sua teoria, que esta enegia
eletromagnética irradiada desloca-se para o espaço com
uma velocidade de 300.000 km/s.
Qualquer semelhança com o valor da velocidade da
luz no vácuo, terá sido mera coincidência??
Uma outra questão importante relativa ao balanço
energético diz respeito à quantidade de energia irradiada
para o espaço.
Nos circuitos oscilantes,
conforme os estudados
na leitura 32, a energia
irradiada quando há
corrente elétrica é
muito pequena.
Mas se incluirmos uma antena, aproximando da bobina
que faz parte do circuito
oscilante, a energia irradiada
através da antena será
muito maior.
Maxwell foi o físico que sintetizou todo o conhecimento
dos fenômenos elétricos e magnéticos conhecidos até então
em quatro leis, consideradas fundamentais e universais da
natureza e que ficaram denominadas como as 4 leis de
Maxwell. Hoje, este trabalho constitui a teoria do
eletromagnetismo clássico. Tendo em vista o que já vimos
nas leituras anteriores podemos mencioná-las da seguinte
maneira:
a. o campo elétrico pode ser criado por carga elétrica ou
por corpos eletrizados;
b.não existe carga magnética
c.um campo magnético que varia com o tempo, cria um
campo elétrico;
d. um campo elétrico que varia com o tempo, cria um
campo magnético
Assim é que nas comunicações, a energia irradiada através
da antena é utilizada para "carregar" informações de um
lugar a outro, pelo espaço afora. Esta mesma energia
"sensibiliza" as antenas dos aparelhos receptores,
"entregando" as informações se o canal ou estação estivrem
sintonizados.
1
4
3
Uma outra previsão deduzida da teoria do
eletromagnetismo de Maxwell, diz respeito à como está
composta tal radiação eletromagnética.
Segundo ele, os
campos elétrico e
magnético são
p e r p e n d i c u l a r e s
entre si e em relação
à direção de
propagação.
Esta é a representação do campo eletromagnético,
incluindo a sua direção de propragação em uma única
direção. Em torno de uma antena, o campo
eletromagnético se propaga em todas as direções em torno
dela.
Com a aceitação da teoria de Maxwell, foi possível
compreender que todas as radiações são originadas por
movimentos acelerados de cargas elétricas.
As radiações de rádio e TV são originadas por movimentos
de elétrons livres no interior das antenas; já a luz é produzida
por movimentos súbitos de elétrons dentro de átomos e
moléculas.
Os raios X, que é um outro tipo de radiação eletromagnética
cuja aplicação na medicina é de todos conhecida através
das radiografias, é produzida pela desaceleração muito
brusca de elétrons previamente acelerados. Esta
desaceleração é provocada pelo choque com uma placa
metálica.
Um outro tipo de radiação
eletromagnética são os chamados "raios gama". Eles são
produzidos e emitidos na desintegração de núcleos
atômicos ocorridas naturalmente, como na
radioatividade, como na tecnologicamente produzida,
como nas bombas atômicas.
Na interação com a matéria, as radiações eletromagnéticas
podem ser absorvidas, refletidas, refratadas, difratadas ou
ainda serem polarizadas. Além disso, elas também poder
sofrer interferência. É por isso que Maxwell acreditava que
as radiações eletromagnéticas podem ser entendidas como
um tipo de onda: as ondas eletromagnéticas.
Assim, os diferentes tipo de radiações: luz, raios X, radiação
infravermelha, raios gama, dentre outras, não se
distinguem em sua natureza, pois todas elas são
originadas por movimentos acelerados (ou desacelerados)
de cargas elétricas. O que as diferencia umas das outras
é a freqüência e o comprimento de onda de cada tipo
de radiação. Algumas previsões da teoria de Maxwell
falharam. Uma delas consistia em admitir que um corpo
aquecido, transmitiria radiação térmica continuamente até
atingir a temperatura de zero na escala Kelvin. A superação
deste problema foi dada por Max Planck, admitindo que a
energia emitida por um corpo através de radiação
eletromagnética dá-se em "porções" que ele denominou
de "quantuns". O valor desta energia (E) é diretamente
proporcional à freqüência da radiação (f), e sempre múltiplo
de um valor constante (h), que acabou recebendo o nome
de constante de Planck.
No Sistema Internacional de
unidades,
o valor desta
constante é 6,63.10-34 J.s
velocidade de propagação =
comprimento de onda x
freqüência
 E = h . f
As radiações infravermelhas, também denominadas de
radiação térmica, nos aquecem quando estamos em torno
de uma fogueira e também
assam alimentos como carnes,
pães,..., e ainda tijolos e telhas
nos fornos são também radiações
eletrmoagnéticas. Elas são
originadas com a intensa
vibração dos átomos que
constituem os materiais.
1
4
4
1 Qual é o comprimento de onda da onda eletromagnética correspondente à frequência de 50Hz de uma linha de
alta tensão?
2. O eco de um sinal radiotelegráfico que sofreu uma reflexão num obstáculo retorna à fonte um intervalo de tempo de 2 . 10-4s. Determine a distância
do obstáculo à fonte.
3. Nosso corpo emite raios infravermelhos com comprimento de onda em torno de 10-5m. Calcule a frequência correspondente.
1. Considere estas afirmações:
I. A velocidade de propagação da luz é a mesma em todos
os meios.
II. As microondas usadas em telecomunicações para
transportar sinais de TV e telefonia são ondas
e l e t r o m a g n é t i c a s .
III. Ondas eletromagnéticas são ondas do tipo
l o n g i t u d i n a l .
Quais delas estão corretas?
a)( ) Apenas I c)( ) Apenas I e II e)( ) I, II
e III
b)( ) Apenas II d)( ) Apenas II e III
2. Sejam Sejam v
1
, v
2
 e v
3
 as velocidades de propagação
no vácuo das radiações gama, infravermelha e luminosa.
Temos então:
a)( ) v
1 
<
 
v
2 
<
 
v
3
c)( ) v
3
 < v
2 
≤
 
v
1
e)( )
v
3 
≤ v
2 
≤ v
1
b)( ) v
2 
<
 
v
1 
 < v
3
d)( ) v
1 
= v
2
 = v
3
3. As siglas TV, FM e os termos "ondas curtas" e
"ondas médias" referem-se às frequâencias usadas
em comunicações no Brasil. Assim sendo, o conjunto
das radiações que se encontra em ordem crescente
de freqüência é:
a)( ) ondas médias, televisão, raios X, radiação
i n f r a v e r m e l h a
b)( ) radiação ultravioleta, radiação
infravermelha, luz, televisão
c)( ) FM, radiação infravermelha, luz, raios X
d)( ) FM, TV, ondas médias, ondas curtas
e)( ) microondas, luz, radiação ultravioleta, ondas
c u r t a s
4. Uma cápsula a caminho da Lua certamente não
encontra em sua trajetória:
a)( ) raios X
b)( ) raios gama
c)( ) radiação ultravioleta
d)( ) microondas
e)( ) ondas sonoras
 teste seu vestibular ...
 exercitando...
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4
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37
Salvando e
gravando
Nesta aula você vai
conhecer dois
processos de
armazenamento de
informações
Vivemos num mundo onde a informação assume um
papel crucial na vida das pessoas, das empresas e
das nações. Acesso à informação, transmissão de
informações, armazenamento e geração de
informações novas, constitui uma grande parte da
vida de todos nós. De quantas maneiras se armazena
informações nos dias de hoje?
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37 Salvando e gravando
Estudar, ler um texto ou um manual de um aparelho acabado
de comprar, assistir um programa de TV ou uma fita em video
ou em cimena, ouvir um programa de rádio, um disco ou um
CD, jogar xadrez, seguir uma receita no preparo de um
saboroso prato de comida,..., em todas as atividades que
realizamos, o processamento de informações encontra-se
presente, de um modo mais ou menos explícito. Este
processamento de informações envolve algumas etapas que
são básicas: o armazenamento, a transmissão e a recuperação
das informações. Vejamos com mais detalhes cada uma destas
etapas.
Nos dias de hoje confiamos a guarda de informações em fitas
magnéticas na forma de cartões magnéticos e fitas cassetes.
Nos dois casos, sobre uma tira de plástico é fixado um
material à base de óxido de ferro, na forma de pequenos
grãos, formando uma finíssima camada cuja espessura varia
de 0,0032 a 0,0127mm. Este metal, é influenciado pela
presença de um campo magnético produzido por um outro
objeto e, por isso, ele é utilizado para registro e guarda de
informações. Este registro é realizado através de uma certa
seqüência na organização destas partículas.
A memória humana é uma maneira natural de registrar e
guardar informações. Além disso, os seres humanos utilizam
formas inscritas para armazenar informações: desenhos em
madeira, barro e pedra, anteriormente; e, depois da escrita,
do papel e da imprensa, os livros, revistas, jornais, ..., foram
as formas encontradas para tornar possível a guarda de
informações.
1. inscrições em cavernas
2. anotações no chão
3. anotações em livros
No processo de gravação, seja de som ou de imagem ou de um
número ou de uma mensagem, estes são anteriormente
transformados em corrente elétrica variável. Esta corrente
elétrica, é estabelecida numa bobina envolvida por um núcleo
de ferro do chamado cabeçote do gravador, conforme ilustra
a figura.
Assim, é criado um campo magnético relativamente intenso
na região próxima a ele. É nesta região que uma fita
magnética é posta em movimeto.
1. fita magnética em
movimento
2. cabeçote com campo
magnético
 ARMAZENAMENTO DE INFORMAÇÕES
E SUA RECUPERAÇÃO
1
4
7
A proximidade entre a fita magnética e o núcleo magnético
do cabeçote faz com que o campo magnético criado pela
corrente elétrica que representa o som ou a imagem atue
sobre a fita. Isso significa que à medida que a fita magnética
se move próxima ao cabeçote ela acaba registrando o
campo magnético criado pela corrente. Como esta corrente
nada mais é que o som ou imagens transformados em
eletricidade, consegue-se, desta forma, registrá-los e
armazená-los numa fita magnética.
Para reproduzir o que foi gravado, o processo é
praticamente inverso ao da gravação: as variações do
campo magnético registradas na fita, induzem no circuito
elétrico do cabeçote uma corrente elétrica variável, de
acordo com a lei de Faraday.
Esta corrente elétrica, nada mais é do que a corrente que
se tinha antes da gravação. A etapa seguinte é a sua
transformação em som ou imagem.
O processo pelo qual se armazena
informações no disco de vinil
consiste em imprimir ranhuras ou
"riscos", cujas formas, tanto em profundidade como abertura,
mantenham correspondência com a informação que se
deseja armazenar. Estas ranhuras, visíveis no disco a olho
nú, são feitas no disco matriz através de um estilete no
momento de gravação. Este estilete é movido pela ação
da força magnética que age sobre eletroímãs que estão
acopladas a ele, conforme indica a figura.
Um outro local onde se pode
armazenar informações é no
disco de vinil. Antes da fita
cassete, o disco de vinil era o
modo mais usado para
armazenar informações.
Veja que a agulha tem aspecto
igual ao do estilete de gravação.
A corrente elétrica que corresponde
ao som é estabelecida nestes
eletroímãs e assim, eles se
magnetizam, conforme prevê a lei
de Ampère. Em conseqüência, o
estilete fica sujeito a forças variavéis
que o fazem mover de acordo com as variações do som.
Já no processo de leitura das informações, ou seja, quando
o disco é posto a tocar, a agulha do aparelho percorre
estas ranhuras.Desse modo, os ímãs que estão fixados a
ela se movem no interior de duas bobinas, o que origina
correntes elétricas nelas, conforme prevê a lei de Faraday.
Tais correntes elétricas que surgem nas bobinas variam no
mesmo ritmo das alterações gravadas nas ranhuras impressas
no disco. A recuperação do som é obtida com o
estabelecimento desta corrente no alto falante do aparelho.
Questão: Identifique semelhanças e
diferenças nos processos de
armazenamento de informações descritos
neste texto.
1
4
8
 ANALÓGICO OU DIGITAL?
Existem atualmente dois processos através
dos quais se pode codificar as informações
com o intuito de armazená-las.
Ao descrevermos a transformação do som ou
da imagem em corrente elétrica através do
microfone e da câmara de TV, a intensidade
da corrente elétrica tinha correspondência
direta com a intensidade do som ou com a
luminosidade de cada região da cena que
estava sendo filmada.
Nestes casos, o processamento da
informação se dá com uma seqüência
contínua de diferentes intensidades de
corrente elétrica, que representa fielmente a
informação
original. Realizado desta forma,
tem-se o processamento analógico das
informações. Atualmente ele é empregado
nas transmissões de rádio e TV.
Além do processamento analógico de
informação, a microeletrônica através dos
computadores e também dos compacts discs
(CD) faz uso de um outro processamento de
informações para a sua armazenagem: o
digital.
Para se ter uma idéia de como se faz este processamento vamos partir de
uma representação de um trecho de uma onda sonora, transformada em
tensão elétrica pelo processo analógico.
Dividindo-se a região delimitada por este
gráfico em pequenos trechos podemos
obter algo semelhante ao formulário usado
para brincar de batalha naval, só que em
vez de porta aviões, navios,..., teremos
quadradinhos "cheios" e outros "vazios'
relacionados à informação: tem corrente ou
corrente nula.
Estas duas únicas
possibilidades, vão
corresponder aos
valores 1 e 0 no
processamento digital.
A gravação e também a
leitura da informação
digitalizada consiste em
várias seqüências de 1
ou 0 formados com os
dois únicos valores possíveis: tem ou não. Cada uma destas seqüências é
construida a partir de cada trecho no eixo do tempo, conforme está ilustrado.
Assim, por este exemplo de representação temos três seqüências: a de número
1, 2 e 3. A seqüência 1 seria formada pela informações1-1-1-1-0-1. A
seqüência 2 seria 0-1-1-1-0-1 e a seqüência 3 seria0-0-1-1-0-0.
Disquetes, CD's e discos rígidos, já utilizam esta forma de armazenamento e
de processamento de informações.
1
4
9
38
Tamanhos são
documentos
Nesta aula você vai
saber porque o tamanho
dos equipamentos
elétrônicos vem
diminuindo
Vamos fazer um teste para ver se você conhece as
marcas tecnológicas de cada época. Observe com
atenção a figura abaixo e responda: de que século e
em qual década pertencem estes aparelhos elétricos?
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5
0
38 Tamanhos são documentos
Localize dentre seus familiares ou amigos um rádio antigo, provavelmente um guardado
dos avós ou bisavós, mas que ainda funcione e compare com um walkman sob os seguintes
aspectos:
a. tamanho e peso
b. tempo necessário para entrar em funcionamento
c. aquecimento do aparelho
REVIRANDO OS GUARDADOS DOS ANTEPASSADOS
A diferença entre os dois aparelhos que fazem a mesma
coisa é muito grande. O aparelho de rádio antigo é muito
mais pesado e maior, leva mais tempo para ligar e aquece
se permanece ligado por algum tempo. Uma outra
diferença é que o antigo só é ligado na tomada enquanto
o walkman é ligado em pilhas.
Internamente as diferenças são também enormes. Muitas
válvulas e fios de ligação além de resistores, no rádio antigo.
Já no walkman, circuito impresso, isto é, placa com trilha
de cobre fundido, nenhuma válvula, e, além de resistores,
alguns componentes novos conforme ilustra a figura.
Todas estas alterações foram possíveis a partir da substituição
das válvulas, que necessitam de alta tensão para
funcionarem, além de um certo tempo para que seja
aquecido o filamento, lembrando uma lâmpada comum.
Em seu lugar entraram o diodo e o transistor, que são feitos
com materiais como germânio e silício. Com a utilização
dos circuitos integrados da microeletrônica, o volume pode
ser reduzido de 10cm3 , que corresponde ao de uma
válvula, para 0,00 000 008 cm3, o volume de um transistor
integrado.
Além disso, a energia necessária para manter estes
componentes funcionando também variou
significativamente: 100.000 vezes menos energia por
segundo, na subistituição de uma vávula por um transistor
integrado.
O estudo das propriedades elétricas de materiais como o
germânio e o silício, que são genericamente denominados
de materiais semicondutores, requer uma aproximação com
algumas idéias do que se denomina física quântica.Assim,
nas páginas a seguir vamos tratar de dois aspectos:
localizaremos num primeiro momento as idéias básicas
desta parte da física para, no segundo momento, utilizá-
las na construção de um novo modelo de condução elétrica
para os materiais.
1
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1
Bohr e seu novo modelo de átomo
As idéias básicas que permitem a compreensão das
propriedades elétricas de materiais como o germânio e o
silício, tem por base uma representação de átomo elaborada
em 1913, e ficou conhecida na física por "átomo de Bohr",
em homenagem ao físico que a elaborou.
Segundo esta representação , o átomo é formado de duas
regiòes: uma no centro chamada núcleo, onde estão os
prótons e os nêutrons e uma
outra chamada eletrosfera,
onde estão os elétrons. A
figura ao lado é uma
representação do átomo de
hidrogênio, segundo o
modelo de Bohr.
Na eletrosfera, os elétrons se movem tão rapidamente ao
redor do núcleo, em suas órbitas, que formam uma espécie
de nuvem, mas há algumas regiões onde existe maior
chance de encontrá-los que em outras, ou seja, as órbitas
não podem ser quaisquer.
Estas regiões, podem conter um certo número de elétrons,
correspondendo cada uma delas a um valor de energia
que depende da sua distância em relação ao núcleo do
átomo.
De acordo com Bohr, que estudou detalhamente o átomo
de hidrogênio, quando o seu único elétron encontra-se na
órbita mais próxima do núcleo, ele tem o seu menor valor
de energia. Nesta situação, o átomo está no seu estado
fundamental.
Ainda segundo Bohr, este elétron pode mudar para uma
órbita mais afastada do núcleo de seu átomo se receber
uma certa quantidade de energia que corresponde a um
valor bem determinado: a diferença entre os valores das
energias associadas a cada uma das órbitas ( a final e a
inicial).
Quando isso ocorre, o átomo deixa o estado fundamental
e passa para o chamado estado excitado. Este estado,
entretanto, é transitório, a menos que o átomo receba
continuamente energia. Caso contrário, o elétron retorna
espontaneamente à órbita inicial. Ao fazê-lo, ele emite a
mesma quantidade de energia absorvida anteriormente,
voltando ao estado fundamental. Em ambos os casos,
dizemos que houve um salto quântico de energia.
Em função das diferentes órbitas que o elétron pode ter,
pode-se fazer um mapeamento das suas possibilidades,
levando em conta os valores das energias
correspondentes.
Para o átomo de
hidrogênio, o
diagrama dos
níveis de
e n e r g i a
possíveis para
o seu elétron
está indicado
ao lado.
Elétron mudando de nível mais
externo
Elétron voltando ao nível
fundamental
De acordo com este diagrama, quando o elétron encontra-
se no nível enrgértico 1, ele está no estado fundamental.
Fora dele, o átomo está no estado excitado. Para separar
o elétron do átomo, isto é, ionizá-lo, o elétron deve receber
21,7.10-19 J de energia.
p
1
5
2
Podemos fazer uma classificação dos materiais quanto a
sua condutividade elétrica tomando por base os níveis
de energia que os seus elétrons podem ter. Neles, a
proximidade dos átomos faz com que haja um aumento
do número de níveis de energia possíveis para os seus
elétrons, conforme indica a figura a seguir.
Reclassificação dos materiais do ponto de vista da
condutividade elétrica
Um material isolante tem uma grande barreira energética
que separa a banda de valência da banda de condução.
Assim, a passagem dos elétrons para a banda de condução
requer grande quantidade de energia, sendo justamente
isso o que caracteriza o material como isolante.Sua
representação, em termos de níveis de energia é
caracterizada conforme a ilustração ao lado.
Nesta representação, cada linha horizontal representa um
nível de energia possível para o elétron. E a linha com
uma bolinha, representa a existência de um elétron neste
nível assinalado.
A caracterização dos materiais como isolantes ou
condutores elétricos, vai depender da diferença de
energia entre os níveis que os elétrons podem vir a
ocupar, que se denomina banda de condução, e os
valores dos últimos níveis já ocupados por eles, a chamada
banda de valência.
Um material condutor, ao contrário, tem sua banda de
condução elétrica em continuidade com a banda de
valência. Deste modo, pequena quantidade de energia é
suficiente para que seus
elétrons passem para os
níveis de energia mais
afastados. Por isso, estes
materiais
são caracterizados
como condutores elétricos.
Há uma outra distribuição dos níveis de energia onde a
banda de condução e a de valência estão separadas por
uma diferença de energia menor que a dos isolantes. Neste
caso, com uma certa energia, os elétrons
passam para a banda de condução, tornando
o material um condutor elétrico. Tal
comportamento caracteriza os materiais
semicondutores. Germânio e silício são
exemplos de materiais que apresentam este
comportamento. Para eles, a energia necesária
para torná-los condutores elétricos pode ser
obtida com a elevação de temperatura,
incidência de luz, aumento de pressão, dentre
outros processos.
1
5
3
39
Partículas e
interações
Para terminar, você vai
conhecer um pouco de
como os físicos
imaginam a constituição
da matéria
Ao longo de seu contato com a Física procuramos mostrar que ela pode
ser um poderoso intrumento para a compreensão de vários aspectos do
mundo natural e tecnológico, com a qual convivemos. Para finalizar este
nosso contato com você, preparamos esta leitura, visando uma
aproximação com aquilo que hoje os físicos entendem ser as suas
ferramentas mais importantes para a compreensão do mundo material:
as partículas que o constituem e suas interações básicas.
1
5
4
39 Partículas e interações
Do que é formada a matéria e como estão organizadas as
partículas que a formam?
Esta é uma questão que já foi respondida de várias maneiras
ao longo da história da humanidade. Vejamos algumas delas.
séc. 4 aC
Demócrito, um filósofo grego,
propõe que a matéria é formada de
um conjunto de partículas
indivisíveis. Chamou-as de átomo
que significa exatamente isso: não
divisível.
séc. XIX
1808: J.Dalton afirmou que as
diferentes substâncias seriam
formadas de diferentes átomos.
1897: J.J. Thomson descobriu uma
partícula atômica e quebrou o átomo!
E ainda criou um modelo para o
átomo: este seria formado de elétrons
e outras partículas de cargas positivas.
séc. XX
1911: E. Rutherford fez uma célebre
experiência e propôs um novo modelo
de átomo: existe um núcleo, formado
de cargas positivas onde a massa do
átomo está quase toda concentrada.
Os elétrons estão fora do núcleo,
girando em torno dele.
1913: N. Bohr aprimorou o modelo
de Rutherford: os elétrons giram ao
redor do núcleo em órbitas definidas.
1932: J. Cladwick fez a suposição de
uma nova partícula no núcleo do
átomo: os nêutrons. Acertou na
mosca!
1960: M. Gell-Mann propôs que
prótons e nêutrons são formadas de
outras 3 partículas: os quarks. Gol
de placa!
1
5
5
c. interação forte
É a responsável pela manutenção ou coesão do núcleo
atômico, apesar da repulsão elétrica entre os prótons. Sua
natureza é atrativa, exercendo-se entre os prótons e os
nêutrons, de modo que sua intensidade predomina
quando está presente, embora sua atuação seja percebida
somente no núcleo do átomo.
Uma outra idéia muito importante que caracteriza o modo
como os físicos "enxergam" a natureza reside no fato de
que apesar das modificações que são observadas no mundo
natural, algumas quantidades físicas se mantém constantes,
desde que não haja influência externa: são as chamadas
leis da conservação.
Algumas delas, que foram discutidas ao longo dos três
volumes desta coleção são:
a. a conservação da quantidade de movimento (na
translação e na rotação);
b. a conservação da energia
c. a conservação da carga elétrica
Interações entre partículas
b. interação eletromagnética
Este tipo de interação explica a ligação entre os elétrons e
seus respectivos núcleos atômicos e também a união entre
os átomos para formar moléculas. Ela é também responsável
pela emissão de luz quando os átomos passam de um
estado excitado para o estado fundamental, conforme
ilustra o esquema:
átomo excitado= átomo no estado + radiação
fundamental eletromagnética
interações e forças
As interações forte, eletromagnética e gravitacional também
podem ser expressas em termos de forças: nuclear,
eletromagnética ( elétrica e magnética) e gravitacional,
respectivamente.
Leis de conservação
Além da idéia de que toda a matéria pode ser descrita
como formada das mesmas coisas - as partículas
elementares - os físicos também acreditam que, elas são
capazes de interagirem. É através dos diferentes tipos de
interação entre as partículas que se explicam as formações
de aglomerados de matéria que formam as coisas que nós
conhecemos e lidamos. Vejamos:
a. interação gravitacional
É a responsável pelos grandes aglomerados de partículas
elementares. Tem
natureza atrativa,
desempenhando papel
fundamental na formação
de estrelas, galáxias e
planetas, na
permanência de nossa
atmosfera e dos satélites
em órbita da Terra,...
Os físicos também admitiram
uma outra interação, que
recebeu o nome de interação
fraca, responsável pela
emissão de partículas beta.
Hoje, eles consideram que esta
interação está relacionada com
a eletromagnética.
1
5
6
Essa história de partículas
elementares não acabou por aí.
Até hoje, já foram detectadas a
existência de aproximadamente
200 partículas. A maior parte
delas, existe por um tempo muito
curto (da ordem de 0,000 001 a
0,000 000 000 000 000 0001 segundos).
 exercitando ...
1. Qual a principal diferença entre o modelo atômico de
Thomson e Rutherford?
2. a. quantos tipos de forças os físicos admitem como
existentes na natureza?
 b. que partículas participam destas forças?
3. Através de uma seta, faça a correspondência entre as
linhas das colunas a seguir:
a. interação forte 1. atrativa ou repulsiva
b. interação eletromagnética 2. explica o sistema solar
c. interação gravitacional 3. curtíssimo raio de ação
fim?
1
5
7
40
EXEXEXEXEXEXERCÍCIOS
Você vai rever o que foi
discutido nas aulas
anteriores fazendo e
pensando as questões
propostas.
Exercícios
(Som, imagem e comunicação)
1
5
8
40 Exercícios: som, imagem e comunicação
1. Qual o intervalo de frequências que o ouvido humano
pode "perceber"?
2. Qual a ordem de grandeza da frequência das ondas
que os rádios enviam para o espaço as suas informações?
3. Por que a corrente elétrica gerada nos microfones é
considerada de baixa frequência?
4. Como podemos interpretar inter ferências no
funcionamento do aparelho receptor (rádio)?
5.Que tipo de associação há entre o ajuste do botão de
sintonia e o circuito elétrico do rádio?
6. Um rádio pode funcionar sem estar ligado a uma fonte
de energia (tomada ou pilha)? Então qual a função destes
tipos de fonte de energia elétrica?
7. As emissoras de rádio lançam no espaço ondas
eletromagnéticas com freqüências específicas. As antenas
dos receptores captam estas ondas ao mesmo tempo?
Explique.
8. A sintonização de uma emissora de rádio ou de TV é
feita selecionando a freqüência da emissora de rádio e o
canal da TV. Por que, às vezes, um aparelho de TV "pega"
também uma outra estação?
9. Quais as principais transformações de energia que
ocorrem num aparelho de rádio em funcionamento? E num
aparelho de TV?
10. Os circuitos oscilantes possibilitam a obtenção de
correntes elétricas de alta frequência. Que papel elas
desempenham na transmissão de informações entre as
emissoras e os teleouvintes?
11. A sintonização de uma emissora por um aparelho de
rádio significa que houve seleção de uma onda
eletromagnética.
a) Discuta o que acontece quando as oscilações da onda
eletromagnética transmitida pela emissora não têm a
mesma frequência que a do circuito oscilante do rádio e a
situação em que estas frequências coincidem.
b) Por que o som de um rádio é perturbado por ruídos
durante uma tempestade onde ocorrem relâmpagos?
1
5
9
12. As emissoras de rádio lançam ao espaço ondas
eletromagnéticas moduladas. O que significa modular uma
onda de alta frequência para se obter uma onda de rádio?
13. Qual a função do canhão eletrônico nas câmaras de
TV? Identifique, nas transmissões de rádio, o que
desempenha função análoga. Que transformações de
energia ocorrem em cada um deles?
14. Por que as antenas são colocadas geralmente nos pontos
mais altos de uma região?
15.
O que acontece se colocarmos um ímã sobre uma fita
magnética? E sobre um disco?
16. Qual é o comprimento de onda eletromagnética
correspondente à frequência de 50 Hz de uma linha de
alta tensão?
18. O texto a seguir foi retirado de um livro de Física:
19. Considerando a velocidade de propagação próxima a
da luz ( 3.108 m/s), qual a freqüência da radiação emitida
pelo corpo humano?
20.Calcule os comprimentos de onda das ondas
eletromagnéticas de frequência f
1
 = 6 . 1014 Hz e f
2
 = 4 .
106 Hz.
22. Uma pessoa tenta ouvir um noticiário com um radinho
de pilha nas seguintes condições: muito vento com ameaça
de chuva com relâmpagos cortavam o céu.
Discuta as várias hipóteses que podem explicar o fato de
que para ouvir alguma coisa, o radinho tinha que ser
colocado colado ao ouvido.
" O corpo humano, que apresenta uma temperatura
média de 37 oC, também emite radiações
infravermelhas, cujo comprimento de onda
encontra-se próximo ao valor 10-5 metros."
17. O comprimento de onda transmitido por uma estação
retransmissora é de 300m. Calcule a frequência da onda
emitida.
21. Uma estação de rádio emite ondas eletromagnéticas
com frequência 8 megahertz. O comprimento das ondas
emitidas é de:
a)( ) 32,5m d)( ) 45,0m c)( ) 37,5m
b)( ) 35,7m e)( ) 52,6m
1
6
0
teste seu vestibular
6. Considere estas afirmações:
I. A velocidade de propagação da luz é a mesma em todos
os meios.
II. As microondas usadas em telecomunicações para
transportar sinais de TV e telefonia são ondas
eletromagnéticas.
III. Ondas eletromagnéticas são ondas do tipo longitudinal.
Quais delas estão corretas?
a)( ) Apenas I d)( ) Apenas II e III
b)( ) Apenas II e)( ) I, II e III
c)( ) Apenas I e II
7. Sejam v
1
, v
2
 e v
3
 as velocidades de propagação no
vácuo das radiações gama, infravermelha e luminosa. Temos
então:
a)( ) v
1 
< v
2
 < v
3
d)( ) v
1
 = v
2
 = v
3
b)( ) v
2
 < v
1
 < v
3
e)( ) v
3
 < v
1
 < v
2
c)( ) v
3
 < v
2
 < v
1
8. Em uma região do espaço, existem campos elétricos e
magnéticos variando com o tempo. Nestas condições,
pode-se dizer que, nesta região:
a)( ) existem necessariamente cargas elétricas.
b)( ) quando o campo elétrico varia, cargas induzidas de
mesmo valor absoluto, mas de sinais contrários, são criadas.
c)( ) à variação do campo elétrico corresponde o
aparecimento de um campo magnético.
d)( ) a variação do campo magnético só pode ser possivel
pela presença de ímãs móveis.
e)( ) o campo magnético variável pode atuar sobre uma
carga em repouso, de modo a movimentá-la,
independente da ação do campo elétrico.
1. Não é radiação eletromagnética:
a)( ) infravermelho d)( ) onda de rádio
b)( ) ultravioleta c)( ) ultra-som
c)( ) luz visível
2. Uma cápsula a caminho da Lua não encontra,
certamente, em sua trajetória:
a)( ) raios X d)( ) microonda
b)( ) raios γ e)( ) ondas sonoras
c)( ) radiação ultravioleta
3. No ar, sob condições normais de temperatura e pressão,
uma fonte sonora emitie um som cujo comprimento de
onda é de 25cm. Supondo que a velocidade de
propagação do som no ar é de 340m/s, a frequência do
som emitido será de:
a)( ) 1,36kHz c)( ) 2,72kHz e)( ) 3,40kHz
b)( ) 1,60kHz d)( ) 3,20kHz
4. O ouvido humano consegue ouvir sons desde
aproximadamente 20Hz até 20 000Hz. Considerando
que o som se propaga no ar com velocidade de 330 m/
s, que intervalo de comprimento de onda é detectável
pelo ouvido humano?
a)( ) De 16,5m a15,5mm d)( ) De 8,25m a 8,25mm
b)( ) De 165m a 165mm e)( ) De 20m a 20mm
c)( ) De 82,5m a 82,5mm
GREF - Física Térmica/termo1.pdf
GREF
Física Térmica.
1
versão
 preliminar
 para ler, fazer e pensar
leituras de
física
01. Calor, Presença Universal.
02. Esquentando os motores e preparando a rota.
03. Medidas de temperatura.
04. Controle de temperatura.
05. Calculando a dilatação.
Leituras de Física é uma publicação do
GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física
Instituto de Física da USP
EQUIPE DE ELABORAÇÃO DAS LEITURAS DE FÍSICA
Anna Cecília Copelli
Carlos Toscano
Dorival Rodrigues Teixeira
Isilda Sampaio Silva
Jairo Alves Pereira
João Martins
Luís Carlos de Menezes (coordenador)
Luís Paulo de Carvalho Piassi
Suely Baldin Pelaes
Wilton da Silva Dias
Yassuko Hosoume (coordenadora)
ILUSTRAÇÕES:
Fernando Chuí de Menezes
Mário Kano
GREF - Instituto de Física da USP
rua do Matão, travessa R, 187
Edifício Principal, Ala 2, sala 305
05508-900 São Paulo - SP
fone: (011) 818-7011 fax:(011) 818-7057
financiamento e apoio:
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A reprodução deste material é permitida, desde que observadas as seguintes condições:
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junho de 1998
1
01
Não há nada, na
Natureza ou nas
Técnicas, que não tenha
a ver com o calor
 Calor,
Presença Universal
Se alguma coisa dá a impressão de não ter
nada a ver com a idéia de calor...
 é só impressão!
2
01 Calor, Presença Universal
Todas as coisas recebem
e cedem calor o tempo
todo. Quando esta troca
é equilibrada, se diz que
elas estão em equilíbrio
térmico. Quando cedem
mais do que recebem, ou
vice-versa, é porque
estão mais quentes ou
mais frias que seu
ambiente.
Portanto...
 tudo tem a ver
 com o calor...
 mesmo que
não pareça!
Geladeiras ou regiões geladas do planeta tem tanto a ver
com o calor quanto fornos ou desertos:
 A GELADEIRA, POR EXEMPLO, É UM APARELHO DE
BOMBEAR CALOR. VOCÊ PODE VERIFICAR COMO É QUENTE
A "GRADE PRETA" ATRÁS DELA.TRATA-SE DO RADIADOR
QUE EXPULSA O CALOR TIRADO DO INTERIOR DA
GELADEIRA, OU SEJA, DOS OBJETOS QUE REFRIGERA;
PARA SOBREVIVER NO PÓLO NORTE, OS ESQUIMÓS
PRECISAM DO ISOLAMENTO TÉRMICO DAS ROUPAS DE
PELE DE ANIMAIS E PRECISAM COMER ALIMENTOS COM
ALTO TEOR CALÓRICO. ALÉM DISSO, PARA ENTENDER
PORQUE OS PÓLOS SÃO TÃO FRIOS, É PRECISO SABER QUE
OS RAIOS DE LUZ E DE CALOR VINDOS DO SOL SÓ CHEGAM
LÁ MUITO INCLINADOS, E MESMO ASSIM SÓ DURANTE
METADE DO ANO...
Por falar em sol, quando a gente olha pro céu, numa noite
de inverno, vendo aquelas estrelinhas que parecem
minúsculos cristais, perdidos na noite fria...
 ...pode achar difícil acreditar que cada estrelinha
daquela é um quentíssimo sol, cuja luz viajou milhões de
anos pra chegar até nós. Se houver planetas em torno
delas, quem sabe se não haverá vida em seu sistema solar...
Quando tentamos pensar em alguma coisa que "não tem
nada a ver com o calor" é natural, por oposição, pensar
em algo frio. Na realidade, quando se diz que um objeto
está frio, é porque está menos quente que o ambiente à
sua volta, ou porque está menos quente do que a mão
que tateia o objeto.
Como veremos, a percepção de que alguma coisa "é fria"
está associada a ela estar tomando calor do ambiente ou
da mão que a toca. Da mesma forma, se diz que alguma
coisa está quente, quando está cedendo calor à mão que
a toca ou ao ambiente.
3
Além de todas as coisas estarem constantemente trocando
calor entre si e com seu meio, grande parte dos objetos
necessita de processos térmicos para sua produçào.
Não só bolos e biscoitos são produzidos em fornos, pois
todos os metais, por exemplo, precisam de fornos para
serem extraídos de seus minérios, assim como para serem
fundidos e depois moldados ou, pelo menos, para serem
aquecidos antes de serem laminados,
SERÁ PRECISO FERVER O MOTOR, PARA LEMBRARMOS QUE O
AUTOMÓVEL É "MOVIDO A CALOR", POIS O QUE O EMPURRA
É UM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA?
DA MESMA FORMA, SERÁ PRECISO FICARMOS COM FEBRE,
PARA LEMBRARMOS QUE TAMBÉM SOMOS SISTEMAS
TÉRMICOS E QUE "NOSSO MOTOR" TAMBÉM USA
COMBUSTÍVEL?
Quando nos lembramos de um combustível, qualquer
derivado de petróleo ou o álcool, por
exemplo, podemos
imediatamente associar estas substâncias com a produção
de calor...
...mas nos esquecemos que estas substâncias necessitaram
de calor, nas destilarias, para serem produzidas!
Difícil mesmo, é achar alguma coisa que não precise de
calor para ser produzida:
Uma fruta,
será que é preciso
calor
para produzi-la?
No motor
do automóvel, será
possível produzir o
movimento do carro,
a partir do
combustível,
mantendo o motor frio?
Abertura e Plano de curso
4
Faça você mesmo...
Talvez você ainda não esteja convencido de que o calor
esteja presente em tudo no universo. Não há de ser nada,
você ainda chega lá...
VOCÊ PODERIA DAR UMA OLHADA À SUA VOLTA E DIZER QUE
COISAS, NA SUA OPINIÃO,ESTÃO MAIS DIRETAMENTE
RELACIONADAS COM O CALOR? QUAL CARACTERÍSTICA OU
QUALIDADE DESTAS COISAS AS ASSOCIA A PROCESSOS
TÉRMICOS?
Veja as roupas que voce está usando ou tem guardadas.
De algodão, de lã ou outros tecidos, seus modelos, com
ou sem manga, com ou sem gola, com ou sem forro, com
ou sem botões para regular as trocas de calor...
Veja na cozinha, que coisas produzem calor, que coisas
transmitem calor, que coisas extraem calor, que coisas isolam
para não perder calor. Chama, panela, cabo de panela..
Veja no banheiro. Veja a estrutura da própria casa ou edifício.
Veja alguns exemplos:
água ( serve,entre outras coisas, como
 meio de refrigeração)
Cobertor (serve como isolante térmico,
evitando maiores perdas de calor
pelo corpo, em noites frias)
Dilotação (é provocada por variação de
temperatura e, por isso,é base
para vários termômetros)
Ebulição (é o que acontece quando um
líquido é aquecido a ponto de
virar um gás)
 Tente
também fazer uma
 lista
de pelo menos
 20 coisas ou situações,
 explicando
 uma possível relação
 com calor
ou
 com temperatura.
Motor do
automóvel
(que transforma calor de queima
em trabalho mecânico)
Calor, Presença Universal
5
02
Esquentando os motores e
preparando a rota.
Se tudo tem a ver com
calor, por onde
começar?
Calor e temperatura são a
mesma coisa? Qual leva a
qual? Qual vem primeiro?
O que é a chama?
Todo calor é energia? Toda
energia é calor? E o trabalho o
que é?
O combustível queima e "faz
calor". Mas, como é que o calor
faz trabalho?
6
02 Esquentando os motores e preparando a rota.
Ao fim da leitura
anterior, foi feita
uma lista de coisas
relacionadas com o
calor e processos
térmicos.
É possível agrupar
estas coisas de
muitas formas
diferentes.
Serve a ordem alfabética? ... gás,
geladeira, queimadura, ... Pensando
bem, acho que não!
fogo, grau celcius, secador,forno elétrico,
 derretimento,geladeira, forno de microondas,
 caloria, amor,resfriado, gelo, isopor, ferro quente,
cobertor, chuva, vapor, sol, chapéu,
 radiação, queimadura, filtro solar,febre, lua, luz,
 motor, radiador, metal,
 madeira, álcool, fogão, gás, chuveiro, vulcão, água,
 ar, freezer, atrito,borracha, isopor,combustão,
garrafa térmica, aquecimento,
 gêiser, termômetro, convecção, condução,
gasolina, carvão, liquidificador,
 dilatação, ventilador, evaporação,
calor,solificação,lâmpada, bomba atômica,dissolução,
 vento,condensação,compressãodos
gases, ebulição,freada, fusão, martelada, nuvem,
lagos, etc..
Gelo é frio, vapor é quente, mas é
tudo água. Classificar? Quente e frio
ou mudança de estado?
Há coisas que produzem calor, como
os combustíveis, o Sol, uma
resistência elétrica. São uma
categoria? Como chamá-las?
Roupas podem proteger do frio,
isopor impede as trocas de calor,
metais facilitam certas trocas.
Isolantes e condutores térmicos,
trocas térmicas são outra categoria?
7
Trabalhando o levantamento e a classificação.
Entre as muitas classificações possíveis vamos propor uma que será usada
como roteiro para classificar a listagem de termodinâmica.
É claro que muitas coisas podem ou não estarem presentes em várias categorias. Por exemplo, a água serve para controlar a temperatura no motor a
explosão (1), troca calor com a vizinhança (2), muda de fase (3) e é a substância usada na turbina a vapor (4). A madeira, utilizada como isolante e
combustível, se encontra na coluna de fontes e trocas de calor (2).
Medida e controle de
temperatura.
forno
termômetro
radiação
água ...
Fontes e trocas de calor.
Sol
madeira
convecção
isopor
água ...
Transformações
térmicas.
motor
água
gases
panela de pressão...
Máquinas térmicas.
geladeira
motor
turbina a vapor...
1) Medida e controle de temperatura.
Somos capazes de sentir o calor porque temos receptores na pele
que detectam o aumento de energia térmica.
Para medir temperaturas construímos termômetros clínicos ou
industriais que se baseiam na propriedade dos materiais dilatarem
quando aquecidos.
O controle de temperatura feito pelos termostatos, que ligam e
desligam circuitos, também se baseia na dilatação.
3) Transformações térmicas.
Na natureza encontramos água em grande quantidade: no estado
líquido, como sólido nas geleiras polares e como gás na atmosfera.
O gelo, a água e o vapor d'água são estados diferentes de uma
mesma substância.
Utilizando tecnologias específicas nós provocamos mudanças de
estado nas substâncias sempre que necessário.
Transformações térmicas exercidas nos gases produzem variações
de volume e pressão.
2) Fontes e trocas de calor.
Que o Sol é uma fonte de calor ninguém duvida. E os combustíveis?
Mas, será que nós também podemos nos considerar uma fonte
de calor? Como o calor do Sol chega até nós?
Sempre que algo puder ceder calor para a vizinhança pode ser
considerado uma fonte de calor. As vezes entretanto precisamos
impedir as trocas de calor que ocorrem por várias maneiras. O
isopor, entre muitos outros é um material que evita a condução
do calor.
4) Máquinas térmicas.
Identificar um motor do carro como uma máquina térmica é
habitual. Mas, e uma geladeira? Ela resfria alimentos.
E o organismo humano, pode ser classificado junto com um motor?
Os princípios em que se baseiam o funcionamento das máquinas
térmicas são os mesmos que regem os fenômenos naturais; eles
são universais.
8
Esquentando os motores e preparando a rota.
Exercícios.
01) Observando as cenas ilustradas a seguir identifique as coisas relacionadas com calor de acordo com a sua interpretação da cena.
TODAS ESSAS COISAS "CABEM" NA CLASSIFICAÇÃO PROPOSTA?
02) Relendo as páginas anteriores tente classificar as coisas da sua lista da leitura 01, da leitura 02, das coisas da sua casa e das coisas vistas pela janela de
um ônibus.
Utilizando
uma lupa.
Um curto circuito.
Empurrando um
carro.
9
03
Medidas de
Temperatura.
Tanto entre as coisas naturais como entre as produzidas
ou construidas, o assunto é calor.
Como as coisas cedem e recebem calor?
A nossa pele é um
receptor para a
radiação térmica tal
como o olho é para a
luz.
Como avaliar o "quanto"
essas coisas são quentes?
1
0
"Todas as coisas recebem e
cedem calor o tempo todo."
E QUANDO NÃO TEM NADA ENTRE OS OBJETOS? VOCÊ JÁ
PENSOU DE QUE MANEIRA A LUZ E O CALOR DO SOL CHEGAM
ATÉ NÓS? COMO SENTIMOS O CALOR DO SOL? COMO NOS
PROTEJEMOS DO SEU CALOR TÃO INTENSO?
A luz do Sol atravessa milhares de quilômetros de espaço
vazio, sem atmosfera, até chegar ao nosso planeta. Este
processo de propagação é chamado de radiação.
Somos capazes de sentir o calor porque temos receptores
na nossa pele que são ativados quando detectam o
aumento de energia térmica.
Os receptores são órgãos microscópicos localizados na
camada mais interna da pele. São sensíveis ao toque, à
pressão, à dor e à temperatura.
Ao receberem um estímulo cada receptor específico,
produz um impulso e o envia para o cérebro. É o cérebro
que nos faz sentir dor, prazer, calor, etc..
Quando sentimos desconforto devido ao calor muito intenso
nos abrigamos. Uma árvore, uma parede, um teto,
bloqueiam a radiação solar.
A nossa experiência cotidiana nos mostra que quando há
um contato direto entre dois objetos o mais quente cede
calor para o mais frio,
há uma condução de calor.
Havendo um fluído entre eles, geralmente o ar ou a água,
também ocorre a troca pelo movimento das moléculas.
A água da parte superior da panela também se aquece.
Neste caso dizemos que por convecção.
Quase todos os bloqueadores da radiação térmica também
não deixam passar a luz. Mas, é necessário tomar cuidado,
o vidro se comporta de maneira diferente em relação à luz
ou ao calor.
Os filtros solares utilizados hoje para aumentar o tempo de
exposição ao Sol também são bloqueadores de radiação
solar. A nossa pele, que é um sensor térmico, necessita
desta proteção.
As vezes utilizamos o tato para avaliar o quanto um objeto
está quente e até mesmo o estado febril de uma pessoa.
Entretanto a nossa sensação pode nos surpreender, como
pode ser verificado na próxima atividade.
Coloque uma das mãos numa vasilha com água
quente e a outra numa vasilha com água fria. Se as
duas mãos forem colocadas posteriormente numa
terceira vasilha com água morna, esta mesma água
provocará uma sensação diferente em cada mão.
A água morna parecerá fria para a mão que estava
quente e quente para a mão que estava fria.
SE OS NOSSOS SENTIDOS "MENTEM" , O QUE PODERIA SER
USADO PARA SE QUANTIFICAR O "QUENTE" OU O "FRIO" ?
COMO DETERMINAR A TEMPERATURA DE UM OBJETO?
Medidas de temperatura.03
O vidro bloqueia a
luz? E a radiação
térmica?
Corte da nossa pele.
1
1
Na escala Celsius o zero é atribuido para a temperatura do
gelo fundente e o cem para a temperatura da água em
ebulição. Para completar a definição dessa escala
termométrica, é só graduar o intervalo entre 0 e 100 em
cem partes iguais, cada divisão correspondendo a 1oC. É
por isso que a escala Celsius é uma escala centígrada.
Com os termômetros clínicos avaliamos temperaturas
com precisão de até décimos de grau. Em média, as
pessoas têm sua temperatura normal de
aproximadamente 36oC, enquanto que a 38oC já está
certamente febril.
A escala Fahrenheit.
Outra escala que ainda é usada em países de lingua inglesa
é a escala Fahrenheit em que o zero (0oF) foi escolhido
para a temperatura de um certo dia muito frio na Islândia
e o cem (100oF) para a temperatura média corporal de
uma pessoa. Nessa escala, a temperatura de fusão do
gelo corresponde, a 32oF e a temperatura de ebulição da
água a 212oF. O intervalo é dividido em 180 partes, cada
uma correspondendo a 1OF.
Veja no esquema ao lado a correspondência entre as duas
escalas.
Para se conseguir que termômetros diferentes marquem
a mesma temperatura nas mesmas condições, é
necessário se estabelecer um padrão comum para êles,
uma escala termométrica. Na escala Celsius sào escolhidas
duas referências: uma é a temperatura de fusão do gelo e
a outra é a da ebulição da água.
Essas temperaturas são tomadas como referência pois,
durante as mudanças de estado de qualquer substância a
temperatura permanece constante.
A escala Celsius.
Os termômetros que usamos para verificar febre são
construidos com um fino tubo de vidro ligado a um pequeno
bulbo lacrado cheio de mercúrio ou de álcool. Quando
esfriado, o líquido se contrai e seu nível desce no capilar;
quando é aquecido, ocorre o contrário.
Tanto o mercúrio como o álcool são líquidos que, mais do
que a água, mesmo para um pequeno aquecimento, se
dilatam visivelmente mais que o vidro. Por isso, são
escolhidos para a construção de termômetros. Se fosse
com água, precisaríamos de um grande volume. Imagine
a inconveniência de se usar um termômetro desses para
medir febre!
A escala graduada no vidro dos termômetros clínicos mede
temperaturas que vão de 350C a 410C aproximadamente
MAS, COMO ESSES VALORES SÃO ATRIBUÍDOS À ESCALA?
Há propriedades dos materiais que podem ser usadas para
estabelecer e medir temperaturas, como a cor da luz emitida
pelo filamento aquecido de uma lâmpada ou a dilatação
do mercúrio dentro de um tubo de vidro.
Um efeito do aquecimento: dilatação.
O piso das calçadas, os trilhos de linhas de trem, as vigas
de concreto de construções como pontes e edifícios,
como tudo mais se dilatam. Sendo estruturas grandes e
expostas ao Sol, devem ter vãos para acomodar dilatações
prevendo este efeito do aquecimento e evitando que
provoque rachaduras. Nas calçadas, por exemplo, estas
"folgas" costumam ser preenchidas por grama ou tiras de
madeira, em pontes são simplesmente fendas livres e
em edifícios são fendas livres ou preenchidas por fitas de
borracha.
Todos os objetos sólidos, líquidos ou gasosos, quando
aquecidos se dilatam, ou seja, aumentam de volume. Esta
propriedade dos materiais pode ser usada para medir
temperaturas.
Medidas e controle de temperatura.
1
2
Mudando de escala...
3.1- Será que a temperatura de 100oF corresponde mesmo
à temperatura de 36oC que é o valor considerado normal
para temperatura corporal?
Resolução:
Ao compararmos as duas escalas, Celsius e Fahrenheit
buscamos uma correspondência entre seus valores a partir
dos comprimentos das colunas de líquido das duas
escalas.
Uma certa temperatura t
C
 em que graus Celsius
corresponde a uma temperatura t
F
 em graus Fahrenheit.
t tC F−
−
= −
−
0
100 0
32
212 32
A razão entre os segmentos 
tC −
−
0
100 0
 para a escala
Celsius é a mesma que a razão 
tF −
−
32
212 32
 para a escala
Fahrenheit. Portanto:
t tC F
100
32
180
= −
t tC F
5
32
9
= −
Através desta expressão você pode converter qualquer
temperatura de uma escala para outra. Convertendo a
temperatura de 100oF para a escala Celsius você encontra:
tC
5
100 32
9
= −
t CC ≅ 38ο
Como você vê, a pessoa cuja temperatura foi tomada
como referência estava um pouco febril, naquele dia.
3.2- A temperatura de 00F foi tomada como referência em
um dia muito frio. Determine essa temperatura em graus
Celsius.
3.3- Você mesmo pode elaborar uma escala termométrica.
Para isso, basta escolher um número para a temperatura
de fusão do gêlo e outro para a temperatura de ebulição
da água. Em seguida, você pode relacionar a sua escala
com a escala Celsius do mesmo modo que já realizamos.
3.4- Você encontra para comprar dois termômetros, ao
mesmo custo, que contêm a mesma quantidade de
mercúrio: um com um tubo longo e fino e o outro, um
tubo curto e de diâmetro maior. Qual deles você preferiria?
Explique porque.
3.5- A esterilização de instrumentos cirúrgicos que antes
era feita em banho de vapor hoje é feita em estufas
apropriadas. Por que não é possível esterilizar um
termômetro clínico da mesma maneira? Que método você
proporia para fazê-lo?
 Medidas de temperatura.
1
3
04
Controle de
temperatura.
Temperaturas muito altas
ou muito baixas requerem
dispositivos específicos
para seu controle.
- se for um gás, dilata muito mais.
- ele dilata de modo típico;
A nossa volta encontramos "coisas" que estão a
temperaturas bastante altas como um forno, ou muito baixas
como o interior de um freezer. Para medir e controlar
temperaaturas tão diferentes utilizamos algumas
propriedades dos materiais.
- um material aquecido emite
luz colorida ao atingir uma
certa temperatura;
1
4
04 Controle de temperatura.
O tungstênio, o ferro e outros metais, quando aquecidos,
emitem energia que chamamos de radiação térmica. Se
a intensidade da energia emitida for próxima a da luz visível,
conseguimos "ver" a radiação.
A radiação térmica é parte de um conjunto de radiações
chamado de espectro de radiação.
No diagrama de energia abaixo, mostramos a posição das
diversas radiações do espectro.
À QUE TEMPERATURA ESTÃO AS
COISAS À NOSSA VOLTA?
QUAIS DELAS ATINGEM UMA
TEMPERATURA MUITO ALTA? E
UMA TEMPERATURA MUITO
BAIXA ?
Um ferro elétrico por exemplo, pode ser regulado para
passar seda, algodão ou linho, funcionando a diferentes
temperaturas.
Veja na tabela alguns valores de temperatura de algumas
regiões do nosso "universo térmico". Você vai identificar
"coisas" presentes no esquema da leitura anterior.
"Coisas" ou situações Temperatura ( C)
fotosfera solar 5700
fusão do tungstênio 3380
filamento de uma lâmpada 2500
forno metalúrgico 4000
forno doméstico 400
interior da geladeira 5
interior do congelador -5
interior do freezer -20
dia bem quente de 30 para cima
dia bem frio de 10 para baixo
Tabela 4.1
O filamento de tungstênio da lâmpada incandescente
quando ligada, tem sua temperatura variando de cerca de
200C para 25000C. Nesta temperatura o filamento emite
luz.
Se você aproximar sua mão de uma lâmpada
incandescente ou de um ferro elétrico será possível afirmar
se eles estão ligados ou não, mesmo estando de olhos
fechados, graças aos receptores térmicos de sua pele.
Já olhando à distância, você consegue perceber se uma
lâmpada está acesa, mas não consegue perceber se um
ferro elétrico está quente ou não.
Entretanto, se você deixar um ferro elétrico ligado na
temperatura máxima durante um certo tempo num quarto
escuro será possível "ver" a luz vermelha emitida pelo ferro
aquecido. Algo semelhante acontece nas resistências de
fornos e aquecedores elétricos.
A região das radiações visíveis engloba desde a cor
vermelha próxima às radiações térmicas até a cor violeta
de maior energia.
A luz do Sol emitida pela sua camada exterior, fotosfera
solar, é a parte visível da radiação solar que chega até
nós. A radiação solar contém, grande parte do espectro
de radiação.
Medidores e dispositivos de controle.
Em função da necessidade de conforto ou até mesmo de
sobrevivência utilizamos os diferentes materiais e suas
propriedades para controlar a temperatura de aparelhos
ou sistemas térmicos.
Se um alimento é cozido em panela com água sabemos
que sua temperatura não ultrapassa 1000C. Se ele estiver
numa frigideira com óleo quente sua temperatura, com
certeza, supera 1000C pois o óleo atinge temperaturas
maiores que esta antes de ferver.
1
5
Se você estiver em regiões geladas sabe que a temperatura
é igual ou inferior a 0oC.
Os aparelhos como condicionadores de ar ou geladeiras
têm suas temperaturas controladas por termostatos a gás
que são dispositivos que ligam e desligam seus motores.
Quando um pedaço de ferro é aquecido, a partir de uma
certa temperatura começa a emitir luz, a princípio
vermelha depois laranja, amarela e finalmente branca.
O funcionamento de um pirômetro óptico se baseia nessa
propriedade dos materiais. Êle possui uma lâmpada de
filamento cujo brilho pode ser aumentado ou diminuido
pelo operador do aparelho que aciona um circuito elétrico.
A cor do filamento dessa lâmpada tomada como
referência e previamente calibrada é comparada com o
interior de um forno ou com outra lâmpada permitindo
assim, à distância, determinar sua temperatura.
O aquecimento faz com que a espiral bimetálica se altere,
movendo o ponteiro e indicando o valor da temperatura.
Em temperaturas muito baixas o controle de temperatura
pode ser realizado com maior eficácia usando-se os
termostatos que se baseiam na expansão de um gás, como
os usados nas geladeiras, por exemplo.
Quando ocorre aumento de temperatura no interior da
geladeira, o gás contido no capilar do termostato expande
fechando o circuito elétrico que liga o motor. Quando a
temperatura no interior da geladeira atinge o valor pré
estabelecido pelo botão de regulagem, o gás se contrai
permitindo que a pressão da mola abra o circuito elétrico
interrompendo o funcionamento do motor.
Um tipo de termostato é o construído com lâminas
bimetálicas (duas lâminas de metais diferentes firmemente
ligadas) que, quando aquecidas ou resfriadas se dilatam
ou se contraem encurvando-se ou endireitando-se, abrindo
ou fechando circuitos elétricos. Isto ocorre porque cada
metal tem uma dilatação típica.
Alguns medidores de temperatura usados em carros são
constituídos de uma lâmina bimetálica enrolada em forma
de espiral com mostrador. Neste caso uma das
extremidades da lâmina é fixa e a outra está acoplada a
um ponteiro.
Os filamentos das lâmpadas incandescentes, quando estão
emitindo luz branca, estão à temperatura aproximada de
2500oC.
Par bimetálico.
Para controlar temperaturas da ordem de algumas centenas
de graus como a de fornos domésticos ou ferros elétricos,
por exemplo, são usados termostatos em sua construção.Os ferros de passar roupas ou torradeiras elétricas têm suas
temperaturas controladas por outro tipo de termostato -
nesses casos é uma lâmina bimetálica que se contrai ou
expande, abrindo ou fechando um circuito elétrico.
Na tabela, algumas temperaturas são muito mais altas do
que as que estamos acostumados a encontrar. Que tipo de
termômetro pode medir a temperatura do filamento de
uma lâmpada ou da fotosfera solar? Essas temperaturas são
tão altas que os termômetros comuns não conseguem medir
e também derretem. Para medir altas temperaturas são
usados pirômetros ópticos.
Pirômetro Óptico.
Medida e controle de temperatura.
1
6
CORES TEMPERATURA
castanho de 520oC a 650oC
vermelho de 650oC a 1050oC
amarelo de 1050oC a 1250oC
branco/azulado acima de 1250oC
Quando observamos uma lâmpada incandescente,
percebemos que a luz produzida é branco-
amarelada, e dificilmente conseguimos ver outras
cores.Já a observação da chama de uma vela pode
nos revelar que a luz emitida por ela possui cores
diferentes.
Olhando para a chama de uma vela e dispondo da
tabela que relaciona cores com temperatura, você
pode avaliar a temperatura das regiões da chama.
Acenda uma vela para...
01) Você pode conseguir numa oficina mecânica
ou ferro velho um termostato de radiador de
automóvel.
Coloque-o numa vasilha com água quente para
observar a válvula se abrir.
O QUE VOCÊ ESPERA QUE VAI ACONTECER AO RETIRÁ-LO DA
ÁGUA?
É por esse processo que a água que circula ao
redor dos cilindros dos motores depois de
aquecida, ao atingir a temperatura pré
determinada, volta ao radiador para ser resfriada
e reutilizada.
02) Em lojas de conserto de eletrodomésticos você
pode encontrar um termostato de aquecedor
elétrico. Aproximando- o e afastando-o da chama
de um isqueiro você pode perceber o "liga e
desliga" quando os metais do termostato se
aquecem e se resfriam.
Obs: Cuidado para não se queimar e ... não
desmonte o aquecedor novo de sua mãe.
Para fazer.
Você agora conhece a temperatura da chama de
uma vela mas ainda não sabe responder o que é a
chama.
Calma! A gente chega lá...
Controle de temperatura.
1
7
05
Calculando a
dilatação.
Podemos calcular
exatamente quanto dilata
um material que sofre
aquecimento.
Os engenheiros evitam acidentes como esses ao prever as
dilatações que os materiais vão sofrer , deixando folgas nos
trilhos das linhas de trem.
Nas construções civís as juntas são feitas com material que
permite a dilatação do concreto.
Observe na sua casa, escola e praças os recursos utilizados
pelos construtores para evitar rachaduras.
1
8
05 Calculando a dilatação.
Com a leitura 15 você
entenderá porque os
lagos de regiões de
inverno rigoroso
conservam água abaixo
do gelo.
Descarrilhamento de trens, rachaduras no concreto, são
alguns dos problemas que a dilatação dos materiais causam
na construção civil.
Por outro lado, é a dilatação que facilita o trabalho de um
ferreiro.
Na fabricação de rodas de carroça e barrís por exemplo, os
aros metálicos são aquecidos ao fogo, e dilatados são
facilmente colocados. Ao esfriar, o metal se contrai e os
aros ficam bem justos e firmes na madeira das rodas ou
dos barrís.
Não são só os sólidos que se dilatam quando aquecidos,
os líquidos dilatam-se mais que os sólidos, e os gases mais
ainda; sendo por isso utilizados nas construções dos
termômetros.
Entre as substâncias encontramos algumas exceções. A
água, por exemplo, quando aquecida de zero a 4oC se
contrai e quando resfriada abaixo de zero se dilata. Essa
particularidade garante que só a superfície dos lagos se
congele.
A dilatação é sempre volumétrica; as substâncias se dilatam
nas três dimensões: comprimento, largura e altura. A
propriedade de cada material se dilatar de uma maneira
típica é que permite a construção dos pares bimetálicos.
Um material dilatando-se mais que o outro provoca a
curvatura do dispositivo que liga e desliga os circuitos como
vimos na leitura anterior.
O coeficiente de dilatação volumétrica
representa
o volume dilatado (em cm3 ou m3, etc.) para uma
unidade de volume (em cm3 ou m3, etc.) inicial do
material ao ser aquecido de 1oC.
Tabela 5.1 : Coeficiente de dilatação volumétrica.
Substância T(oC) Coef. de dil. Vol. ( 0C-1)
aço 0 - 100 31,4 x 10-6
água 20 210 x 10-6
álcool 0 - 60 1100 x 10-6
alumínio 20 - 100 71,4 x 10-6
cobre 25 - 100 50,4 x 10-6
ferro 18 - 100 34,2 x 10-6
gelo 20 - 0 153 x 10-6
invar (Fe, Ni) 20 2,7 x 10-6
madeira 20 90 x 10-6
mercúrio 0 - 100 182 x 10-6
ouro 15 - 100 42,9 x 10-6
prata 15 - 100 56,7 x 10-6
superinvar (Fe, Ni, Cr) 20 0,09 x 10-6
tungstênio 20 12 x 10-6
vidro comum 0 - 100 27 x 10-6
vidro pirex 20 - 100 9,6 x 10-6
Pela tabela se constata que o coeficiente de dilatação da
água no estado líquido é maior do que no estado sólido.
No estado gasoso este coeficiente é cerca de 17 vezes
maior do que no líquido.
Esse valor de coeficiente de dilatação volumétrica é o
A tabela a seguir nos fornece o coeficiente de dilatação
volumétrica de alguns materiais.
 é o mesmo para todos os gases.
γ vapor de água
0 -1 C C= × =−6 −13663 10 1
273
0
γ = −11
273
0 C
1
9
Caso você tenha um fio bem fino e longo, por exemplo, e
queira calcular a dilatação de seu comprimento, considere
que a dilatação em uma só dimensão depende de um
coeficiente de dilatação linear equivalente a 1/3 do valor
encontrado na tabela, que é de dilatação volumétrica.
Assim, a dilatação linear é calculada através da relação:
A dilatação volumétrica (∆∆∆∆∆V) sofrida por uma substância
de coeficiente de dilatação volumétrica γγγγγ é
proporcional ao produto do volume inicial (V
o
) e da
variação de temperatura (∆∆∆∆∆T). Matematicamente
podemos representar a dilatação e o coeficiente de
dilatação volumétrica como:
As vezes só nos interessa a dilatação de uma superfície
do material. Neste caso levamos em conta duas
dimensões e utilizando o coeficiente de dilatação
superficial que é equivalente a 2/3 do coeficiente de
dilatação volumétrico. A equação pode ser escrita da
seguinte forma:
 T S
S
 T S S
o
o ∆
∆=⇒∆=∆ ββ
 
T L
L
 T L L
o
o ∆
∆=⇒∆=∆ αα
Onde:
L∆ = variação do comprimento
oL = comprimento inicial
T∆ = variação de temperatura
α = coeficiente de dilatação linear
A DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA É DIRETAMENTE PROPORCIONAL
AO VOLUME INICIAL E A VARIAÇÃO DE TEMPERATURA.
Inverno Verão
Os vãos deixados em
construções ficam
maiores no inverno.
Medida e controle de temperatura.
Onde:
β = coeficiente de dilatação volumétrica
S∆ = variação da área
oS = área inicial
T∆ = variação de temperatura
É um problema de
adaptação???
01) Ao lavar pratos e copos, você verifica que as vezes um
copo fica "grudado" dentro de outro não sendo possível
separá-los facilmente. Sugira um método simples de fazê-
los soltar um do outro sem perigo de quebrá-los.
02) Quando é que o pistão de alumínio do seu carro se
adapta mais justamente ao cilindro de aço, quando ambos
estão quentes ou quando ambos estão frios? Explique.
03) A platina é o metal utilizado para confecção de
amálgama dentário. Seu coeficiente de dilatação
volumétrico é 27 x 10-6 0C-1. Compare esse coeficiente com
o dos demais metais e discuta o porque dessa escolha.
∆ ∆ ∆
∆ΤV V T = V
V0
0
= ⇒γ γ
2
0
Exercícios.
5.1- Um prédio de 100m, com uma estrutura de aço tem
um vão de 10 cm previsto pelo engenheiro. Que variação
de temperatura esse vão permite sem risco para o prédio?
Resolução:
O coeficiente de dilatação volumétrica do aço é:
1o -610 31,5 −× C
Considerando apenas a dilatação do comprimento da
estrutura, usaremos o coeficiente de dilatação linear que
vale:
1o 6- 6- 10 10,5 10 31,5 
3
1 −×=×× C
Como a dilatação linear 10cm L =∆ , o coeficiente de
dilatação linear 1o -610 10,5 −×= Cα e o comprimento
cm10 m100L 4
o == .
 Co
6-4
o
95 
10 10,5 10
10
 
L
L
 T ≅
××
=∆=∆
α
Como você pode ver, o engenheiro foi previdente até
demais.
5.2- Você dispõe de um litro de água e outro de álcool
dotados de tubos capilares de 1mm2, bem longos
colocados nas rolhas.
Sabendo que os coeficientes de dilatação da água e do
álcool valem respectivamente: 
-1o -6
 água C10 210 ×=γ
e -1o -6
álcool C 10 1100 ×=γ , determine a altura da coluna
de cada líquido quando a variação de temperatura for de
10oC.
Resolução:
Antes de tudo vamos expressar o volume de 1litro em
mm3.
 1l = 1dm3 e 1dm = 102mm
Portanto:
 1l = 1dm3 = (102)3 mm3 = 106 mm3
Como: TV V o∆=∆ γ
 
3-66
água mm2100 10 10 210 10V =×××=∆
 3-66
álcool 11000mm 10 10 1100 10 V =×××=∆
Como a área da secção reta do capilar é de 1mm2, a altura
h é numericamente igual ao volume.
Assim, a altura da coluna de água vale 2100mm=2,10m e
a de álcool vale 11000mm= 11m.
Imagine o transtorno se você quisesse medir febre com
um termômetro desses!
5.3- Um mecânico pretende soltar um parafuso de ferro
que está emperrado em uma porca de invar (liga de ferro
com níquel). Qual deveria ser o procedimento do
mecânico?
5.4- Um posto recebeu 5000 litros de gasolina num dia
em que a temperatura era de 350C. Com a chegada de
uma frente fria, a temperatura ambiente baixou para 150C,
assim permanecendo até que a gasolina fosse totalmente
vendida. Sabendo-se que o coeficiente de dilatação da
gasolina é 1,1 x 10-3 0C-1, calcule em litros o prejuízo sofrido
pelo dono do posto.
5.5- Explique porque travessas de vidro comum não
podem ir ao forno e as de vidro pirex podem.
Portas de armários que
ficam "emperradas" no
verão, abrem sozinhas no
inverno.
Inverno Verão
Calculando a dilatação.
GREF - Física Térmica/termo2.pdf
GREF
Física Térmica.
versão
 preliminar
 para ler, fazer e pensar
leituras de
física
06. Sol: a fonte da vida.
07. O Sol e os combustíveis.
08. Calor e conforto.
09. Transportando o calor.
10. Cercando o calor.
11. Aquecimento e clima.
12. Aquecimento e técnica.
13. Calculando a energia térmica.
2
Leituras de Física é uma publicação do
GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física
Instituto de Física da USP
EQUIPE DE ELABORAÇÃO DAS LEITURAS DE FÍSICA
Anna Cecília Copelli
Carlos Toscano
Dorival Rodrigues Teixeira
Isilda Sampaio Silva
Jairo Alves Pereira
João Martins
Luís Carlos de Menezes (coordenador)
Luís Paulo de Carvalho Piassi
Suely Baldin Pelaes
Wilton da Silva Dias
Yassuko Hosoume (coordenadora)
ILUSTRAÇÕES:
Fernando Chuí de Menezes
Mário Kano
GREF - Instituto de Física da USP
rua do Matão, travessa R, 187
Edifício Principal, Ala 2, sala 305
05508-900 São Paulo - SP
fone: (011) 818-7011 fax:(011) 818-7057
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Sub-programa de educação para as Ciências (CAPES-MEC)
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junho de 1998
2
1
06
 Sol: a fonte da
vida
A energia:
na fotossíntese e
na respiração.
O capim precisa de luz e calor do Sol.
O gado come o capim.
Você se alimenta das plantas e do gado.
Você inspira o oxigênio fornecido pela planta.
Você libera o gás carbônico e o calor que a planta
necessita ...
2
2
06 Sol: a fonte da vida.
crescimento, a reprodução, etc.. Esse processo de liberação
de energia é análogo ao de queima, é a respiração.
 material orgânico +oxigênio => CO
2 
+H
2
O +energia
Luz do Sol
Que a folha traga e
traduz....
Em verde novo.
A música do Caetano Veloso
conta um fenômeno que
acontece no planeta, há
muitos milhões de anos.
A fotossíntese é o processo através do qual os vegetais
produzem os alimentos, o combustível indispensável para
a vida da planta, do homem e outros animais.
Os vegetais necessitam da luz solar como a energia
absorvida pelas plantas em suas reações químicas. É na
fotossíntese realizada pelas plantas que ocorre o primeiro e
principal processo de transformação de energia no ambiente
terrestre.
Os vegetais que possuem clorofila absorvem energia solar
e gás carbônico do ar e realizam reações químicas
produzindo material orgânico como açúcares, gorduras e
proteinas e liberam oxigênio.
A reação química que ocorre na fotossíntese poderia ser
esquematizada da seguinte forma:
 H
2
O + CO
2 
+luz -> material orgânico +oxigênio
Fotossíntese e a vida animal.
As pessoas e os animais também necessitam de energia
para sua sobrevivência e suas atividades. Não produzimos,
como as plantas verdes, a energia interna que
armazenamos.
Ao ingerirmos o a limento proveniente das plantas, parte
das substâncias entram na constituição celular e outra parte
fornece a energia necessária às nossas atividades como o
A quantidade de energia contida em um alimento é medida
através da energia obtida pela sua queima. Se queimarmos
a mesma quantidade de pão e amendoim para aquecermos
uma mesma quantidade de água, ao medirmos a
temperatura da água no final da queima, perceberemos
que ela ficará mais aquecida quando utilizamos o amendoim
como combustível.
O amendoim libera mais energia na queima por ser
constituido de menor quantidade de água e por possuir
substâncias mais calóricas que o pão.
Esta energia é proveniente da reação de queima dos
alimentos retirados do meio ambiente, por exemplo, das
plantas verdes ou de animais como o gado que come as
plantas verdes.
A energia dos alimentos.
2
3
Felizmente não precisamos fazer esta atividade sempre que
quisermos saber o poder energético de um alimento.
Encontramos tabelas que nos fornecem estas informações.
Na tabela 6.1 por exemplo, estão especificados os teores
de energia expressos em quilocalorias (Kcal) por 100g de
alimento.
1kcal = 1000cal
A energia dos alimentos representava para o homem
primitivo a quase totalidade do seu consumo energético
pois ele além de consumir os alimentos só usava a energia
do fogo.
Situação muito diferente acontece no mundo moderno.Só
5% do que o cidadão urbano consome atualmente
corresponde à energia dos alimentos para sua subsistência.
A maior parte provém dos combustíveis dos veículos, da
energia elétrica para iluminar, tomar banho, aquecer e
resfriar e da energia para a produção dos bens que ele
utiliza.
1 caloria é definida como a quantidade de
calor necessária para elevar de 1ºC a
temperatura de 1grama de água no estado
líquido.
Alimentos Porções (100g) Energia (kcal)
leite de vaca cru meio copo 63
queijo branco
fresco
uma fatia 243
pão duas unidades 269
ovo duas unidades 163
carne de vaga
(magra)
um bife 146
peixe de mar frito dois filés 371
arroz cozido 3 colheres (sopa) 167
feijão cozido 5 colheres (sopa) 67
mamão uma fatia 32
coca-cola meio copo 39
batata frita 2 unidades 274
Tabela 6.1: Energia fornecida pelos alimentos.
 Fontes e trocas de calor.
Devido ao nosso próprio metabolismo, absorvemos
quantidades variadas de energia ingerindo os mesmos
alimentos que outras pessoas. A perda de energia ao
realizar as mesmas atividades também é uma
característica pessoal, dependendo do tamanho corporal
e da eficiência dos movimentos.
Consumimos em média cerca de 3500 kcal de alimentos
diariamente.
O conhecimento da quantidade de energia liberada pelos
alimentos no organismo é de interesse de médicos e
nutricionistas, uma vez que a alimentação com excesso ou
deficiência de calorias pode levar à obesidade, à doenças
vasculares ou à subnutrição.
EXPERIMENTE CALCULAR A QUANTIDADE DE ENERGIA
FORNECIDA PELOS ALIMENTOS QUE VOCÊ INGERIU
HOJE.
As tabelas de dieta fornecem o valor de energia do alimento
em grande caloria (Cal) em lugar de quilocaloria (Kcal).
Neste caso, 1 Cal (caloria médica) corresponde à 1Kcal em
Física.
É possível se fazer um balanço entre a energia fornecida
pelos alimentos e a energia consumida por uma pessoa
durante um determinado tempo em suas atividades diárias.
2
4
O Ciclo do Carbono.
Na grande quantidade de transformações que ocorrem
na Terra a fotossíntese, a respiração e a decomposição
além de promoverem uma circulação da energia
proveniente do Sol também são responsáveis pela
circulação de um importante elemento químico, o
carbono.
O gás carbônico dissolve-se nas águas oceânicas entrando
em contato com os íons de cálcio que vão sendo
depositado lenta e continuamente no fundo dos oceanos.
Ao longo de milhões de anos esses materiais originam
rochas como o calcário ou o mármore.
Os esqueletos e carapaças dos seres marinhos como
lagostas, caranguejos, corais, mariscos, etc., são
constituídos de carbonato de cálcio, a mesma substância
que constitue o mármore.
Esses animais retiram o gás carbônico e os íons cálcio
diretamente da água do mar e quando morrem, também
vão contribuir para a formação de carbonato que poderão
formar rochas.
A atmosfera, os vegetais, os animais e os oceanos são
verdadeiros reservatórios de carbono do nosso planeta
e os átomos de carbono migram de um reservatório para
outro, através dos processos intimamente relacionados
como a fotossíntese, a respiração e decomposição,
constituindo o ciclo do carbono.
Veja a figura apresentada a seguir:
Tabela 6.2
dormir 78 kcal/h
ficar
sentado
108 kcal/h
assistir à
aula ou
estudar
180 kcal/h
trabalhar 180 kcal/h
ficar em pé 120 kcal/h
andar 228 kcal/h
Confira se você se alimenta bem do ponto de vista
energético fazendo um balanço.
Verifique quanta energia você gasta durante um dia inteiro.
Quanta energia você consome no mesmo tempo? Você
queima todas as calorias ingeridas?
Certas dietas alimentares fixam em 1500 Calorias ( ou seja,
1500 Kcal de energia) o consumo energético diário visando
uma gradual perda de peso de pessoas com alguns quilos
a mais.
Consulte a tabela 6.1 e proponha um cardápio
energeticamente balanceado de um dia para essa dieta.
 Balanço energético.
Diariamente ingerimos alimentos cuja energia é utilizada
na realização de nossas atividades.
Veja na tabela, ao lado, a taxa de utilização de energia
medida em quilocalorias por hora em algumas atividades.
 Fontes e trocas de calor. Gref
2
5
07
O Sol e os
combustíveis
A lenha.
O carvão mineral.
O petróleo.
O álcool de cana.
De onde vem essa
energia?
Animais e plantas soterrados ao longo de bilhões de anos se
transformaram em combustíveis fósseis.
Na queima da lenha, do petróleo, do álcool de madeira ou
de cana, transformamos energia química em térmica e em
energia de movimento.
2
6
07 O Sol e os combustíveis.
As plantas ao realizarem fotossíntese garantem a produção
de matéria orgânica e do oxigênio do ar necessários à
vida animal.
Ao morrerem, tanto as plantas como os animais, se
decompoem muito rapidamente. Mas, ao longo de bilhões
de anos, muitos organismos foram soterrados por areia
ou lama e submetidos a intensas pressões sofrendo um
processo de fossilização.
A gasolina, o óleo diesel e outros derivados do petróleo
são formados por fósseis vegetais e animais, assim como
os alimentos, a lenha e o carvão vegetal, produzidos pelas
plantas, são resultados da transformação de energia
proveniente do Sol, através da fotossíntese, em energia
química de ligação, prinicipalmente do carbono e
hidrogênio.
A pergunta que fica é: que origem tem a energia solar?
Esta energia, também chamada energia radiante, é
resultado da fusão nuclear que se dá no processo de
evolução das estrelas.
No caso do Sol, por exemplo, o tipo de fusão nuclear
que ocorre faz com que núcleos de hidrogênio se juntem
para compor núcleos mais complexos, como o de hélio.
Para a fusão nuclear ser possível é preciso uma
temperatura altíssima, de milhões de graus. Qual a origem
inicial desta temperatura? Que fonte de energia a
promove? Nova surpresa: é a energia gravitacional.
Estrelas, como o Sol, se formam
pela autocompactação
gravitacional de grandes nuvens cósmicas que "caem
sobre si mesmas" . Nesse processo a energia potencial
gravitacional se transforma em energia cinética, térmica,
garantindo a alta temperatura. essencial à fusão nuclear.
Será que todas as fontes de energia que existem
dependem da energia proveniente do Sol? Uma das
fontes de energia no nosso planeta que não tem origem
solar é a energia de fusão e fissão nuclear, usadas
respectivamente nas terríveis bombas A e H e nas
controversas usinas nucleares.
Carvão mineral: um
combustível fóssil.
Os combustíveis fósseis
são reservas da energia
solar produzidas no
passado.
O Sol é o responsável
por quase toda a
energia que
utilizamos.
Tanto a hidroeletricidade como a energia dos ventos e as
combustões de todos os tipos dependem da radiação solar
-seja para a evaporação da água, para a circulação de ar
ou para a fotossíntese -, que garante a formação dos
combustíveis.
O Sol e a energia que utilizamos.
Os motores de automóveis, de outros veículos e as
turbinas de aviões, necessitam de uma fonte de energia
para a produção do movimento. A energia necessária é
proveniente da queima de combustíveis como a gasolina,
o álcool, o óleo diesel ou querosene.
2
7
 gás de cozinha + oxigênio -> CO
2
 + H
2
O + calor
O combustível mais utilizado nos fornos e fogões é o
GLP (gás liquefeito de petróleo), contido em botijões de
gás, que, ao ser liberado, entra em contato com o oxigênio
do ar e, na presença de uma centelha, transforma energia
química em energia térmica. Este processo recebe o nome
de combustão.
Combustível Calor de combustão
(kcal/kg)
álcool etílico
(etanol)*
6400
álcool metílico
(metanol)**
4700
carvão vegetal 7800
coque 7200
gás hidrogênio 28670
gás manufaturado 5600 a 8300
gás natural 11900
gasolina 11100
lenha 2800 a 4400
óleo diesel 10900
petróleo 11900
querosene 10900
TNT 3600
Tabela 7.1
* é obtido da cana de açúcar,
mandioca, madeira.
**é obtido de carvão, gás
natural, petróleo.
A combustão, presente tanto nos aparelhos residenciais
como nos veículos usados como meio de transporte, libera
energia para o meio aquecendo-o. Esta energia conhecida
como calor, depende do combustível usado e do seu fluxo.
Em todos estes processos em que ocorrem trocas de calor,
os sistemas mais quentes aquecem os mais frios. Desta
forma, "fonte de calor" é qualquer sistema que esteja mais
quente que sua vizinhança. O grau de aquecimento de
um objeto é caracterizado numericamente por sua
temperatura, ou seja, quanto mais aquecido, maior sua
temperatura.
Sistemas a mesma temperatura não trocam calor, estão em
equilíbrio térmico. Por isto, na Física, o calor é definido
como uma das formas de transferência de energia entre
sistemas a diferentes temperaturas.
A quantidade de calor liberada durante a
queima completa de uma unidade de massa da
substância combustível é denominada calor de
combustão.
A tabela 7.1 fornece o calor de combustão de alguns
combustíveis em kcal/kg.
 MAS QUAL O SIGNIFICADO DESTA UNIDADE DE MEDIDA?
Uma maneira de medirmos energia é compararmos a
quantidade utilizada em determinada situação com a
quantidade de energia necessária para elevar a
temperatura de 1 grama de água, de 1oC, que chamamos
caloria.
Considerando que 1kcal é igual a 1000 calorias, quando
o calor de combustão de um determinado combustível
for igual a 1kcal/kg significa que em 1kg de combustível
serão liberadas 1000 cal de energia durante a combustão.
O valor do calor de combustão nos permite comparar a
quantidade de calor liberado por massas iguas de diferentes
combustíveis.
OS MATERIAIS QUE QUEIMAM QUANDO ESTÃO EM CONTATO
COM O AR E UMA CENTELHA SÃO CHAMADOS
COMBUSTÍVEIS E O PROCESSO DE QUEIMA É CONHECIDO
COMO COMBUSTÃO.
Existem combustíveis que não precisam de uma centelha
para iniciar a combustão. O palito de fósforo é um exemplo
deste tipo. Neste caso, o atrito com o material da caixa é
suficiente para fazer o palito pegar fogo.
Os fornos, fogões e aquecedores em geral têm seu
funcionamento baseado na queima de um combustível.
Quando utilizamos combustíveis como gasolina, álcool,
carvão, lenha, gás natural e outros, estamos transformando
energia química em energia térmica.
 Fontes e trocas de calor.
2
8
Só produzimos calor através da
queima?
Existem outras situações em que ocorrem transformações
de energia térmica e o aquecimento também se encontra
presente. As freadas, o esfregar das mãos, a compressão
do ar pelas bombas de bicicleta e as marteladas, que
envolvem processos tais como atrito, compressão dos
gases e choques mecânicos, são algumas destas
situações. Nestes casos, ocorre um aquecimento
localizado que constitui uma fonte de calor em relação à
sua vizinhança.
O Sol e os combustíveis.
Por outro lado, temos a sensação de frio, quando saimos
de uma piscina. Isto acontece porque as gotículas de água
em contato com o nosso corpo, retiram calor dele, para se
evaporarem.
Podemos perceber a liberação de calor numa situação em
que umidecemos um pano com álcool e depois o
colocamos na água. A dissolução do álcool na água se
constitui numa fonte de calor que vai aquecer a vizinhança,
no caso a nossa mão.
ALÉM DESTES É POSSÍVEL TERMOS OUTROS PROCESSOS NOS
QUAIS OCORRE AQUECIMENTO E ALGUMA "COISA"
FUNCIONA COMO FONTE DE CALOR?
Um outro modo de produzir calor é através da corrente
elétrica circulando em alguns tipos de fios que se aquecem
tanto que chegam a emitir luz, como é o caso do tungstênio
do filamento das lâmpadas ou do níquel-cromo dos
aquecedores de ambiente, fornos ou ferros elétricos.
O conhecimento dos valores de energia fornecidos por
cada combustível é importante para o dimensionamento
dos queimadores e, em geral, para o planejamento,
construção e uso dos fogões e outros aquecedores.
7.1- Consultando a tabela 7.1 responda:
a) Indique o combustível que libera maior quantidade de
calor por unidade de massa.
b) Compare as quantidades de calor liberadas pela mesma
massa de TNT e gasolina.
c) Qual a relação entre as massas de gasolina e de álcool
para a liberação da mesma quantidade de calor?
d) Pesquise o preço de um quilograma de álcool e de um
quilograma de gasolina. Estabeleça a razão entre custo e
energia liberada para cada um deles. Essas razões são
iguais?
7.2- É comum percebermos que a água de uma moringa
é mais fresca do que a de uma garrafa de vidro. Explique
por que existe essa diferença.
7-3- Pode-se cortar um arame exercendo nele movimentos
de "vai e vem" repetidas vezes. Explique essa operação
através da transformação de energia.
7.4- Quando alguns veículos descem uma serra longa e
íngreme é comum sentirmos "cheiro de queimado" . Você
é capaz de explicar este fato? O que acontece nesta
situação?
Exercícios.
2
9
08
Calor e conforto.
O calor do Sol chegando
até nós.
Como o calor se propaga
nas situações cotidianas?
As trocas de calor que
ocorrem numa cozinha.
De toda energia do Sol que chega a Terra, 30% é refletida nas camadas
superiores da atmosfera.
Os 70% restante são absorvidos pelo ar, água, solo, vegetação e animais.
Essa energia, que garante a existência de vida na Terra, é trocada entre todos os
elementos e retorna para o espaço como radiação térmica.
O homem utiliza a tecnologia para trocar calor com o meio ambiente de uma
maneira confortável.
3
0
08 Calor e conforto
O CALOR FLUI
ESPONTANEAMENTE DE
UMA FONTE QUENTE PARA
UMA FONTE FRIA.
O CALOR SE PROPAGA NO AR, NA ÁGUA, NO SOLO E NOS
OBJETOS ATRAVÉS DE UM MEIO MATERIAL .
Parte desta energia (30%) é refletida nas altas camadas da
atmosfera voltando para o espaço.
Cerca de 46,62% dessa energia aquece e evapora a água
dos oceanos e rios; 16,31% aquece o solo; 7% aquece o ar
e 0,07% é usada pelas plantas terrestres e marinhas na
fotossíntese.
Toda energia absorvida na Terra acaba sendo emitida para
o espaço como radiação térmica.
A luz e o calor do Sol quando chegam até nós já
percorreram 149 milhões de quilômetros atravessando o
espaço vazio, o vácuo, pois a camada atmosférica que
envolve a Terra
só alcança cerca de 600 Km.
Esse processo de propagação de calor que não necessita
de um meio material é a irradiação.
O Sol irradia energia em todas as direçãoes. De toda energia
liberada pelo Sol, só 1,4 bilionésimos chega até a Terra.
Um objeto pode ser aquecido por mais de um processo
ao mesmo tempo. Numa cozinha você encontra várias fontes
de calor e situações de trocas interessantes. Faça a próxima
atividade.
O ar em contato com o solo aquecido atinge temperaturas
mais altas do que o das camadas mais distantes da
superfície. Ao se aquecer ele se dilata ocupando um
volume maior e tornando-se menos denso, sobe. Em
contato com o ar mais frio, perde calor, se contrai, e desce.
 O deslocamento do ar quente em ascenção e de descida
do ar frio, as chamadas correntes de convecção, constituem
um outro processo de propagação de calor, a convecção.
Esse processo ocorre no aquecimento de líquidos e gases.
Nos sólidos o calor é conduzido através do material. É
devido à condução de calor através do metal que o cabo
de uma colher esquenta quando mexemos um alimento
ao fogo.
3
1
A cozinha : Um bom laboratório de Física Térmica.
Ao entrar numa cozinha em funcionamento você se depara com algumas fontes de calor e um ambiente aquecido. Relacione estas fontes.
Analise as situações em destaque
1- Quando se aquece água em uma vasilha de alumínio, há formação
de bolhas de ar que sobem, enquanto outras descem. Se você colocar
serragem na água esse fenômeno fica mais evidente.
-Quais os processos de propagação de calor envolvidos nesta situação?
-Colocando uma pedra de gelo sobre a água fria também se observam
as correntes de convecção ?
2- Quando colocamos a mão ao lado e abaixo de uma panela que foi
retirada do fogo, sentimos a mão aquecida .
- A que processo de propagação de calor você atribui o aquecimento
da mão?
3- Como se dá a propagação do calor do forno para o ambiente?
- Compare a temperatura dos armários localizados próximos ao chão
com a dos localizados no alto. A que você atribui essa diferença de
temperatura?
4- Observe uma geladeira.
Será que o congelador tem que estar sempre na parte de cima? Por
que? E as suas prateleiras, elas precisam ser vazadas? Por que?
5- Quando você coloca uma travessa retirada do forno sobre uma
mesa utilizando uma esteira, qual o processo de troca de calor que
você está evitando?
6- Investigue as diferentes panelas, travessas que vão ao forno e
para a mesa. Faça uma lista dos diferentes materiais que encontrou.
Fontes e trocas de calor.
3
2
Dicas da cozinha:
Na cozinha de sua casa, os fornos atingem temperaturas
de cerca de 400oC. Nas indústrias metalúrgicas a
temperatura dos fornos é muito maior, da ordem de
1500oC, mas os processos de propagação de calor são
os mesmos.
Ao aquecer a água , a serragem deve ter ajudado a
evidenciar as correntes de convecção. A camada inferior
de água é aquecida por condução, pelo alumínio da
panela. A água aquecida se dilata e sobe, sendo que a
água da camada superior mais fria, se contrai e desce.
Também observarmos as correntes de convecção,
esfriando a camada superior da água com uma pedra
de gelo.
É para facilitar a convecção do ar que as prateleiras das
geladeiras são vazadas. O ar quente sobe, resfria-se em
contato com o congelador sempre localizado na parte
de cima da geladeira, se contrai e desce resfriando os
alimentos.
A temperatura mais elevada dos armários superiores da
cozinha são também uma conseqüência da convecção
do ar. O ar quente sobe, e permanece em contato com
eles.
É para evitar a condução do calor que usamos uma esteira
entre a vasilha aquecida e a mesa, que queremos
preservar.
Você deve ter ficado em dúvida ao colocar a mão ao
lado e abaixo da panela. Quando colocada abaixo da
panela a mão não poderia ser aquecida por convecção
pois o ar quente sobe.
Neste caso, a propagação do calor se deu por condução
através do ar, ou por irradiação? Afinal o piso da cozinha
se aquece devido a condução do calor do forno e da
chama do fogão pelo ar, ou por irradiação?
Para responder estas questões vamos procurar mais
informações sobre a condução do calor pelos materiais.
Numa cozinha, há uma grande variedade deles como você
deve ter observado. Esses novos dados, vão responder
outras questões relativas aos materiais utilizados em
cozinhas, indústrias, moradias e roupas.
Exercício:
8.1- Para observar correntes de convecção um aluno
mergulhou 1 ou 2 objetos de alumínio aquecidos (cerca
de 100oC) num balde com água a temperatura ambiente,
em várias posições.
Relacione cada uma das situações ilustradas com a
respectiva corrente de convecção que deve ter sido
observada.
 Calor e conforto
3
3
09
Transportando
o calor.
Utensílios.
Materiais de Construções.
Roupas.
Isolantes ou Condutores?
Um cobertor de lã é "quente" ?
Ele produz calor ?
Por quê os cabos de panelas
normalmente não são feitos de
metal?
Por quê sentimos um piso de
ladrilho mais frio do que um de
madeira, apesar de ambos
estarem à temperatura
ambiente?
3
4
09 Transportando o calor: de isolantes a condutores.
Tabela 9.1
Encontrar o material adequado para um uso específico,
pode ser uma tarefa simples como escolher um piso frio
para uma casa de praia, ou tão complexa como definir a
matéria prima das peças de motores de carros.
É importante na escolha de materiais levarmos em conta o
seu comportamento em relação a condução térmica. Para
compararmos esses materiais segundo essa característica,
definimos uma propriedade: o coeficiente de condutividade
que indica quantas calorias de energia térmica são
transferidas por segundo, através de 1 cm do material,
quando a diferença de temperatura entre as extremidades
é de 1oC.
A tabela 9.1 nos permite comparar a condutividade de
alguns materiais sólidos. Traz também o coeficiente de um
líquido (a água) e de um gás (o ar) com os quais trocamos
calor constantemente.
Sendo o coeficiente de condutividade do ar muito baixo,
como mostra a tabela, podemos afirmar que o calor quase
não se propaga através do ar por condução. Quando
Os cabos de panelas são de madeira ou de material plástico
(baquelite) porque quando a panela está quente, eles
sempre se encontram à uma temperatura bem menor, o
que nos permite retirar a panela do fogo segurando-a pelo
cabo.
Ao tocarmos um piso de madeira, temos a sensação de
que este é mais quente que o piso de ladrilho.O pé e o
ladrilho trocam calor muito mais rapidamente do que o pé
e a madeira. A madeira é um mau condutor de calor. Os
maus condutores de calor são chamados de isolantes
térmicos.
sentimos calor ao colocarmos a mão abaixo de uma panela
quente, a propagação não poderia ter ocorrido por
convecção pois o ar quente sobe, nem por condução pois
ela é muito pequena, tendo sido portanto irradiado.
A tabela 9.1 nos mostra também que os metais e as ligas
metálicas são bons condutores de calor.
Ser um bom condutor de calor, entre outras propriedades
faz com que o aço, o ferro e o alumínio sejam a matéria
prima das peças de motores de carros. Nesses motores a
combustão, o calor interno devido a explosão do
combustível é muito intensa e deve ser rapidamente
transferido para o meio ambiente, evitando que as peças
se dilatem e até mesmo se fundam.
MAS, AFINAL COMO É QUE ACONTECE A CONDUÇÃO DE CALOR
NOS DIVERSOS MATERIAIS? EXISTE UMA DIFERENÇA ENTRE
A CONSTITUIÇÃO DO ALUMÍNIO À TEMPERATURA AMBIENTE
OU DO ALUMÍNIO AQUECIDO?
Não podemos ver como as substâncias são constituídas,
nem mesmo com microscópios potentes, mas podemos
imaginar como elas são fazendo um "modelo" baseado
em resultados experimentais.
Como são constituídos os materiais?
Um modelo proposto pela comunidade científica, é o que
supõe que todas as substâncias são formadas por
pequenas porções iguais chamadas moléculas. As
moléculas diferem umas das outras pois podem ser
constituídas por um ou mais átomos iguais ou diferentes
entre sí.
3
5
Os átomos do alumínio como as molécualas dos outros
sólidos nesse modelo estão organizados formando uma
estrutura regular
chamada de rede cristalina.
Neste modelo de matéria imaginamos que as moléculas
não ficam paradas e sim que elas oscilam. Essa oscilação é
mais ou menos intensa dependendo da temperatura do
material.
Os átomos do alumínio de uma panela aquecida vibram
mais do que se estivessem à temperatura ambiente. Os
átomos que estão em contato com a chama do fogão
adquirem energia cinética extra e vibrando mais
intensamente, interagem com os átomos vizinhos que,
sucessivamente interagem com outros, propagando o calor
por toda extensão da panela. É dessa forma que o nosso
modelo explica a propagação do calor por condução.
Cada substância é formada por um tipo de molécula
diferente que a caracteriza. No caso do alumínio que está
no estado sólido, os átomos estão próximos uns dos outros
e interagem entre sí. Esses átomos não mudam de posição
facilmente e por isso os sólidos mantêm a forma e o volume.
Em materiais onde as moléculas interagem menos umas
com as outras a condução do calor é menos eficiente. É o
caso do amianto, da fibra de vidro, da madeira. Veja que
isso está de acordo com os valores dos coeficientes de
condutividade da tabela 9.1.
Assim como os sólidos, os líquidos e os gases também são
formados por moléculas; porém, essas moléculas não
formam redes cristalinas. Isto faz com que a propagação
do calor nos líquidos e nos gases quase não ocorra por
condução.
Num líquido, as moléculas se movimentam mais
livremente, restritas a um volume definido e a sua forma
varia com a do recipiente que o contém. Nesse caso, o
calor se propaga, predominantemente, através do
movimento de moléculas que sobem quando aquecidas e
descem quando resfriadas, no processo de convecção.
Nos gases, as moléculas se movimentam ainda mais
livremente que nos líquidos, ocupando todo o espaço
disponível; não tem forma nem volume definidos. A
convecção também é o processo pelo qual o calor se
propaga, predominantemente, nos gases.
Escolhendo os materiais.
Em lugares onde o
inverno é rigoroso, as
paredes são recheadas de
material isolante e os
encanamentos de água
são revestidos de amianto
para evitar perdas de
calor por condução e
convecção.
Dependendo das condições climáticas de um lugar, somos
levados a escolher um tipo de roupa, de moradia e até
da alimentação.
Roupa "quente" ou "fria"? Mas, é a roupa que é quente?
Uma roupa pode ser fria?
O frio que sentimos no inverno é devido às perdas de
calor do nosso corpo para o meio ambiente que está a
uma temperatura inferior.
A roupa de lã não produz calor, mas isola termicamente
o nosso corpo, pois mantém entre suas fibras uma camada
de ar. A lã que tem baixo coeficiente de condutividade
térmica diminui o processo de troca de calor entre nós e
o ambiente. Esse processo deve ser facilitado no verão
como o uso de roupas leves em ambiente refrigerados.
Nos sólidos a irradiação
do calor ocorre
simultaneamente à
condução.
Nos líquidos e nos gases
a condução e irradiação
de calor também ocorrem
simultaneamente à
convecção.
Fontes e trocas de calor.
3
6
Como trocamos calor com o
ambiente?
Apesar de perdermos calor constantemente, o
nosso organismo se mantém a uma temperatura
por volta de 36,5oC devido à combustão dos
alimentos que ingerimos.
Quanto calor nós perdemos? Como perdemos
calor"?
Os esportistas sabem que perdemos mais calor,
ou seja, gastamos mais energia quando nos
exercitamos.
Um dado comparativo interessante é que quando
dormimos perdemos tanto calor quanto o irradiado
por uma lâmpada de 100 watts; só para repor
esta energia, consumimos diariamente cerca de
1/40 do nosso peso de alimentos.
Você já observou que os passarinhos e os
roedores estão sempre comendo?
Por estar em constante movimento, esses animais
pequenos necessitam proporcionalmente de mais
alimentos que um homem, se levarmos em conta
o seu peso.
9.4- No livro "No país das sombras longas", Asiak,
uma personagem esquimó, ao entrar pela primeira
vez numa cabana feita de troncos de árvores num
posto de comércio do Homem Branco comenta:
"Alguma coisa está errada, em relação ao Homem
Branco. Por que ele não sabe, que um iglú
pequeno é mais rápido de ser construído e mais
fácil de se manter aquecido do que uma casa
enorme?". Discuta esse comentário fazendo um
paralelo entre os tipos diferentes de habitações.
(Obs: Compare os coeficientes de condutividade
da madeira, do gêlo e do concreto).
9.3- As geladeiras e fornos normalmente têm sua
estrutura (carcaça) de chapas metálicas que são
bons condutores de calor. Como elas conseguem
"reter"o calor fora da geladeira ou no interior do
forno?
RESOLUÇÃO:
Tanto as carcaças das geladeira como a dos fornos
são fabricadas com duas paredes recheadas com
um material isolante.
Os isolamentos térmicos mais eficientes são a lã
de vidro e a espuma de poliuretano. Eles evitam
que o calor seja conduzido do ambiente para o
interior da geladeira. No caso dos fornos, eles
impedem as perdas de calor por condução do
interior do forno para fora.
Um animal pequeno tem maior superfície que
um de grande porte proporcionalmente ao seu
peso e é por isso que têm necessidade de comer
mais.
Não é só a quantidade de alimentos que importa
mas sua qualidade. Alguns, alimentos como o
chocolate, por exemplo, por serem mais
energéticos, são mais adequados para serem
consumidos no inverno quando perdemos calor
mais facilmente.
É através da superfície que um corpo perde calor.
Além disso, ao anoitecer a temperatura no
deserto cai rapidamente, sendo que a roupa de
lã proteje os viajantes impedindo o fluxo de calor
do corpo para o exterior.
9.2 - Asas delta e para-gleiders, conseguem
atingir locais mais altos do que o ponto do salto,
apesar de não terem motores. O mesmo ocorre
com planadores que após serem soltos dos aviões
rebocadores, podem subir. Como você explica
esse fato?
RESOLUÇÃO:
As pessoas experientes que saltam de asas delta
ou para-gleiders conseguem " aproveitar " as
Trocando calor...
9.1 - Cenas de filmes mostram habitantes de
regiões áridas atravessando desertos usando
roupas compridas de lã e turbantes. Como você
explica o uso de roupas "quentes" nesses lugares
onde as temperaturas atingem 50oC?
RESOLUÇÃO:
Em lugares onde a temperatura é maior do que a
do corpo humano (36oC) é necessário impedir o
fluxo de calor do ambiente para a pele do
indivíduo. A lã, que é um bom isolante térmico,
retém entre suas fibras uma camada de ar a 36oC
e dificulta a troca de calor com o ambiente.
 correntes ascendentes de ar quente para subirem
e planar em pontos mais elevados do que o do
salto. Para descer procuram as correntes de ar
frio, descendo lentamente.
Em todos esses vôos o ângulo de entrada na
corrente de convecção do ar, o "ângulo de
ataque" determina a suavidade da subida ou
pouso, e até mesmo a segurança do tripulante,
no caso de mudanças climáticas bruscas, (ventos
fortes, chuvas, etc.).
3
7
10
Cercando o calor.
A estufa.
A garrafa térmica.
O coletor solar.
Se o calor "consegue" entrar no carro, porque ele não sai?
Como os materiais "absorvem"e emitem calor?
Quem já entrou num carro que tenha ficado estacionado ao Sol
por algum tempo vai entender o significado da expressão "cercando
o calor".
3
8
A estufa.
Quando um carro fica exposto ao Sol o seu interior se
aquece muito principalmente porque os vidros deixam
entrar a luz que é absorvida pelos objetos internos e por
isso sofrem uma elevação de temperatura. Costumamos
dizer que o carro se transformou numa estufa.
De fato, as estufas utilizadas no cultivo de algumas plantas
que necessitam de um ambiente aquecido para se
desenvolverem sào cobertas de vidro. Mas, porque o lado
de dentro fica mais quente que o lado de fora?
O calor do Sol chega até nós na forma de luz visível, por
irradiação. Para explicar a irradiação, seja a do Sol, de um
forno ou de qualquer objeto aquecido, temos que pensar
na luz como uma onda eletromagnética, semelhante às
ondas de rádio ou às de raio X. Novamente estamos
recorrendo a um modelo para explicar um fenômeno.
Essas ondas não necessitam de um meio material para
serem transportadas.
Nesse processo de propagação de
calor, somente a energia é transmitida.
A luz do Sol, interpretada como uma onda eletromagnética
atravessa o vidro do carro ou da estufa e incide nos objetos
internos. Eles absorvem essa radiação e emitem radiação
infra-vermelha (calor) que fica retida no interior do carro,
impedida de sair por que o vidro é "opaco" a ela, tendo
um efeito cumulativo.
Além disso, a troca de calor com o ambiente externo por
condução é dificultada porque o ar de fora também está
quente e o vidro é um mau condutor de calor.
Absorção da luz.
Qualquer objeto que receba a luz do Sol absorve energia ,
se aquece e emite calor.
A interação da luz com a matéria só ocorre nos pontos
onde a luz incidiu. Isto pode ser observado no
desbotamento dos tecidos e papéis expostos ao Sol, que
só ocorrem em alguns pontos.
10 Cercando o calor.
NA IRRADIAÇÃO SOMENTE
A ENERGIA É
TRANSMITIDA.
AS ONDAS
ELETROMAGNÉTICAS
NÃO NECESSITAM DE
UM MEIO MATERIAL
PARA SEREM
TRANSPORTADAS.
NAS INTERAÇÕES C OM OS
MATERIAIS A LUZ SE
COMPORTA COMO
PARTÍCULA.
Esse efeito localizado só é explicado se interpretarmos que a
luz nessa interação com a matéria se comporta como partícula.
Esse modelo, o modelo quântico, considera a energia
luminosa como grãos de energia, os fotons.
Os objetos absorvem fotons de energia da luz incidente e
depois emitem fotons de energia mais baixa.
Estes dois aspectos da luz: se comportar como onda ou como
partícula na interações com a matéria são conhecidos como a
"dualidade onda-partícula". Este modelo será estudado com
mais detalhes no curso de Óptica e Eletromagnetismo.
Veja agora como "aprisionamos" calor impedindo a absorção
ou emissão de radiação e outras trocas de calor num utensílio
de uso diário em nossas casas.
A garrafa térmica.
Inventada no final do século passado pelo cientista Dewar,
essa vasilha impede a propagação do calor por condução, por
convecção ou por irradiação.
É constituida de paredes duplas entre as quais se retirou quase
todo o ar, evitando assim que o calor se perca por convecção
ou por condução.
Para evitar as perdas de calor por radiação, as paredes são
prateadas: a interna, na parte em contato com o líquido para
refletir as ondas de calor do interior impedindo-as de sair e a
externa, na parte de fora para refletir as ondas de calor que
vem do meio ambiente impedindo-as de entrar.
COMO A GARRAFA TÉRMICA
MANTÉM LÍQUIDOS A
TEMPERATURAS INFERIORES A
DO AMBIENTE ?
3
9
Fontes e trocas de calor.
Um aparelho construído para "cercar" o calor com a função de aquecer a água é o coletor solar.
Depois das leituras sobre a propagação do calor e com algumas investigações você pode fazer a próxima atividade.
O sistema de captação de energia solar foi idealizado no século XVIII pelo cientista suiço Nicolas de Saussure.
Utilizado hoje em residências e indústrias este aparelho capta a energia solar e impede as perdas de calor por irradiação e condução,
para o ambiente, com a finalidade de aquecer a água.
O Sol, fonte de energia gratuita, disponível algumas horas por dia, ao substituir os combustíveis comuns, preserva as reservas de energia
fóssil e não polui.
Você pode construir um aquecedor simples levando e conta o que aprendeu e com alguma pesquisa.
Atividade: Construção de um coletor solar.
1- Escolha um tubo através do qual deve circular a água e que
será exposto ao Sol. Da escolha de um tubo de borracha, PVC ou
metal, dependerá a eficiência do seu coletor. Consulte a tabela de
condutividade.
2- Você acha que é necessário que o tubo forme uma serpentina
como o do esquema apresentado? Por que?
3- Esse tubo deve ser pintado? De que cor? Investigue a influência
da cor dos objetos na absorção da energia térmica medindo a
temperatura de objetos brancos (de mesmo material), pretos e de
outras cores que tenham ficado expostos ao Sol durante o mesmo
tempo. A partir da sua investigação qual cor de tinta é a mais
indicada. Por quê?
4- Os coletores solares industrializados são cobertos por uma chapa
de vidro. Verifique como a colocação desse dispositivo melhora a
eficácia de seu aparelho.Lembre-se da estufa!
5- Encontre soluções para evitar as perdas de calor do seu
aquecedor para o exterior. Consulte a tabela 9-1.
6- O posicionamento da entrada de água fria pela extremidade
inferior do tubo e da saída de água quente pela extremidade superior
do aquecedor esquematizado deve ser mantida? Por quê?
7- Meça a temperatura atinjida pela água no seu coletor solar.
Compare a eficiências do seu aparelho com a dos seus colegas e
com a dos aparelhos industrializados.
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0
Cercando o calor.
... "Eu queria um mastro anodizado em preto. O que significou um
considerável transtorno. A anodização foi feita na Holanda, o transporte
uma complicação, e os palpites contrários um inferno. "Por que preto?"
"Para que anodizações e complicações?" Por uma razão simples que não
tinha certeza se iria funcionar. Mas não custava tentar. Durante a grande
e única tempestade a bordo do Rapa Nui, ví seus mastros se cobrirem de
gelo. A grande quantidade de gelo travou as velas no lugar, impedindo
que fossem erguidas ou baixadas e pior, acumulando peso. Um perigo
para a estabilidade de um veleiro. Pensei então, que, se o mastro fosse
de uma cor não refletora, ele absorveria calor - da luz - suficiente para
não permitir o acúmulo de gelo, ou o conhecido fenômeno Icing. "Um
mastro solar", eu brincava. Todo preto. Uma idéia cuja utilidade seria
comprovada uma única vez, mas à qual eu seria eternamente grato."....
(pág.84)
... (pág.178) "Se o tempo não piorasse não haveria que sair de novo,
abaixar a vela grande e subir o pequeno triângulo de mau tempo. Vestido
com botas, luvas, trajes completos de manobra, cinto de segurança, eu
controlava ao mesmo tempo o indicador de vento e as velas. Ãs 22:00
GMT, o ponteirinho do anemômetro passou dos cinquenta e cinco nós.
"Vamos lá, não dá pra esperar. Reduzir mais." Uma camada de gelo
formara-se sobre o mastro e o trilho no qual ficava presa a vela! Minha
nossa! Nenhuma força no mundo faria descer a vela num mastro
congelado. Agarrado nos primeiros degraus subi uns dois metros, apoiado
na vela, e então descobri o quanto foi importante insistir na cor preta
do mastro. Ao tocar no gelo, ele desprendeu-se como um picolé saindo
da fôrma. Subi até a primeira cruzeta e em segundos não havia mais
gelo sobre a superfície escura do mastro. Todas as outras ferragens, que
não eram pretas, estavam cobertas. Desci a vela, amarreia-a como pude
e, no lugar, subi o triângulo de mau tempo. Em menos de cinco minutos,
estava de volta ao conforto da torre."... (pág.178)
O Efeito Estufa.
A Terra recebe diariamente a energia solar que é absorvida pelo planeta
e emitida na forma de radiação infravermelha para o espaço. Uma
parcela desse calor volta para nós retido pela atmosfera.
O vapor d'água e o gás carbônico e o CFC (cloro, fluor, carbono)
presentes na atmosfera, deixam passar luz solar, mas absorvem a
radiação infravermelha emitida pela Terra devolvendo-a para a
superfície o que constitui o efeito estufa. O oxigênio e o nitrogênio
transparentes tanto a luz solar como ao infravermelho, não colaboram
para o efeito estufa.
É devido ao efeito estufa que o nosso planeta se mantém aquecido
durante a noite. Sem esse aquecimento a Terra seria um planeta
gelado, com poucas chances de propiciar o surgimento da vida.
Há milhares de anos, a temperatura média da Terra é de 150C, isto
porque toda energia que chega do Sol é emitida como radiação
infravermelha para o espaço. Porém, no último século a temperatura
média da Terra aumentou cerca de 0,50C. Alguns pesquisadores
atribuem esse aumento ao efeito estufa causado por um acréscimo da
concentração de gás carbônico (CO
2
) na atmosfera, devido a combustão
de carvão, usado na geração de energia elétrica e do petróleo nos
meios de transporte.
Se a concentração de CO
2
, na atmosfera aumentar muito, quase toda
radiação infra vermelha voltará para o Planeta que se aquecerá cada
vez mais. É um aquecimento de
grandes proporções que tememos.
Ele poderia transformar terras férteis em solos áridos e provocar o
derretimento das geleiras dos polos inundando as regiões litorâneas.
Não é a toa que o efeito estufa é para nós sinônimo de ameaça.
Por que Preto?
Em seu livro Paratii, Amyr Klink, narra a sua decisão de
importar um mastro para seu barco "Paratii" , que
navegaria até a Antártida. O mastro deveria ser
anodizado, esto é, ter a superfície do alumínio coberta
por uma cor, sem ser pintada. Amyr conta também
como essa decisão foi para ele de vital importância.
4
1
11
Aquecimento e
clima
Brisas amenas ou
vendavais assustadores?
O que propicia a
formação dos ventos?
O solo, a água e a vegetação, entretanto, alcançam
temperaturas diferentes ao receberem a mesma quantidade
de radiação solar.
Esse aquecimento diferenciado, juntamente com as
características de cada região determinam o seu clima.
A inclinação do eixo da Terra, a localização de uma região
(latitude e longitude) determinam a quantidade de radiação
solar que a região recebe.
4
2
11 Aquecimento e clima.
A quantidade de calor necessária para elevar de 1oC a
temperatura de uma unidade de massa de cada
substância é chamada de calor específico.
Quando a radiação solar incide sobre a terra, ela é quase
totalmente absorvida e convertida em calor. Além disso,
esse aquecimento fica restrito a uma fina camada de terra
uma vez que esta é má condutora de calor. Por outro
lado, sendo a água quase transparente, a radiação, ao
incidir sobre o mar, chega a aquecer a água sem maior
profundidade. Assim sendo, a massa de terra que troca
Você vai verificar com essa atividade que para massas
iguais de areia e água que recebem a mesma
quantidade de calor a elevação da temperatura da areia
é bem maior. A areia também perde calor mais
rapidamente do que a água quando retirada do Sol.
Retirando as vazilhas do Sol, você pode comparar as
quedas de temperatura da areia e da água ao longo
do tempo.
Deixe em duas vazilhas rasas a mesma massa de água e
de areia expostas ao Sol. Meça a temperatura da água e
da areia algumas vezes, anotando esses valores.
Aquecendo areia e água.
O aquecimento diferenciado do solo, da água e da
vegetação, a presença de maior ou menor quantidade
desses elementos numa localidade, as diferentes
formaçãoes rochosas, como as montanhas e vales,
determinam o clima de uma região.
O homem pode interferir nesse equilíbrio ao lançar no ar
partículas de gás carbônico (CO
2
) em quantidade que
alterem significativamente a atmosfera, ao represar os
rios nas construções de hidroelétricas, desmatando
florestas, provocando erosões, poluindo o solo e a água.
 Essas alterações, poderiam provocar um aumento na
temperatura média do nosso planeta que é de 15oC e não
se modifica ao longo de muitos anos. Um aumento de
cerca de 2oC na temperatura média da Terra seria suficiente
para transformar terra férteis em áridas e duplicar o número
de furacões.
MAS COMO O AQUECIMENTO DA TERRA INFLUI NA FORMAÇÃO
DE FURACÕES? ESTE AQUECIMENTO TAMBÉM É
RESPONSÁVEL PELA OCORRÊNCIA DE VENTOS MAIS
AMENOS?
Vamos discutir esse aquecimento pela formação de ventos
brandos e agradáveis.
A Brisa Marítima.
Diferentemente dos ventos que ocorrem eventualmente,
a brisa marítima é um fenômento diário, sopra do mar
para a terra durante o dia e em sentido contrário à noite.
Durante o dia a areia atinge uma temperatura bem maior
do que a água. Você pode fazer a próxima atividade para
comprovar essa afirmação.
4
3
calor é muito menor que a de água, e acaba também sendo
responsável pela maior elevação de temperatura da terra.
Um outro fator que contribui da mesma forma para essa
diferença de aquecimento é o fato que a parte da radiação
recebida pela água é utilizada para vaporizá-la e não para
aumentar sua temperatura.
Como a terra fica mais aquecida durante o dia, o ar, nas
suas proximidades também se aquece e se torna menos
denso, formando correntes de ar ascendentes. Acima da
superfície da areia "cria-se" então uma região de baixa
pressão, isto é menos moléculas de ar concentradas num
certo espaço.
À noite, os mesmos fatores (diferentes aquecimentos,
massa resfriada e quantidade de calor liberada pela
condensação da água), fazem com que a água tenha uma
menor reduçào de temperatura do que a terra, faz com
que o ar próximo do mar suba e a brisa sopre, agora, da
terra para o mar.
Esse ar mais frio movimenta-se horizontalmente do mar
para a terra, isto é, da região de alta pressão para a de
baixa pressão.
Essa movimentação se constitui numa brisa que sopra do
mar para a terra e que ocorre graças à convecção do ar.
O ar próximo à superfície da água, mais frio e por isso
mais denso, forma uma região de alta pressão.
Além das brisas marítimas temos ventos diários que
sopram dos polos para o equador. Esses ventos se
formam porque o ar próximo às superfícies aquecidas
da região equatorial se tornam menos densos e sobem
criando uma região de baixa pressão.
Ocorre então uma movimentação horizontal de ar frio da
região de alta pressão (Polos da Terra), para a região de
baixa pressão (Equador da Terra).
Existem também ventos periódicos anuais. Devido à
inclinação do eixo da Terra, em cada época do ano, um
hemisfério recebe maior quantidade de calor que o outro,
o que provoca a formação de ventos que estão associados
às 4 estações do ano.
Os ventos se formam devido ao aquecimento
diferenciado do solo, água, concreto, vegetação e da
presença de maior ou menor quantidade desses
elementos.
A altitude de uma região bem como a sua localização no
globo (latitude e longitude), definem a quantidade de
radiação solar recebida e caracterizam o seu clima em
cada época.
Outros ventos periódicos.
Fontes e trocas de calor.
4
4
Aquecimento e clima.
O fenômeno El Ninõ.
Existe também uma teoria que afirma ser o calor
liberado pelo magma vulcânico do fundo do Oceano
Pacífico o responsável por esse aquecimento que se
constitui no maior fenômeno climático da Terra.
Pesquisadores mantém no Oceano Pacífico boias que
registram diariamente a temperatura da água para
controle. Esses dados mostram que nos últimos doze
anos aconteceram quatro aquecimentos.
Anteriormente a esse controle, pensava-se que o El
Ninõ ocorria a cada sete anos.
Para alguns cientistas, o Homem é o vilão, que ao
poluir o ar, interfere no seu ciclo, sendo responsável
pelo fenômeno El Ninõ.
Até cerca de 30 anos, o "El Ninõ" era um fenômeno
conhecido apenas por pescadores peruanos. Os
cardumes de anchovas sumiam das águas onde eram
pescados, o que acontecia com periodicidade de
alguns anos, geralmente na época do Natal, daí o
seu nome El Ninõ (O Menino Jesus).
El Ninõ é visto até hoje pelos cientistas como um
fenômeno climático que ocorre periodicamente e
altera o regime de ventos e chuvas do mundo todo.
Consiste no aquecimento anormal da superfície das
águas do Oceano Pacífico na região equatorial, que
se extende desde a costa australiana até o litoral do
Perú.
Hoje, acredita-se que os ventos tropicais que sopram
normalmente da América do Sul em direção à Ásia,
através do Pacífico, ao diminuirem de intensidade,
provocam esse aquecimento anormal. As causas do
enfraquecimento dos ventos tropicais ainda não são
conhecidas.
Normalmente os ventos tropicais são fortes e
provocam ondas no mar que trazem para a superfície
as águas mais frias do fundo , juntamente com os
nutrientes que atraem os peixes.Essa mistura de
águas mantém a temperatura da região equatorial
do Oceano Pacífico em torno de 240C.
Com a diminuição da intensidade dos ventos
tropicais, que acontece periodicamente, não há
formação de ondas. A água fria não se mistura com
a da superfície, que se aquece cada vez mais,
chegando a atingir 290C, por uma extensão de
5000km.
Devido à evaporação dessa grande massa de água,
as chuvas caem sobre o oceano ao invés de chegar
até o sudeste da Ásia, provocando tempestades
marítimas e desregulando as chuvas de toda região
tropical.
Como consequência temos chuvas intensas no
sudeste dos Estados Unidos, no sul
do Brasil e na
região costeira do Perú.
O El Ninõ é responsável também pelas secas mais
intensas no nordeste brasileiro, centro da África,
Filipinas e norte da Austrália.
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5
12
Aquecimento e
Técnica.
Carro refrigerado
a ar ou a água?
Calores específicos tão diferentes como o do ar e da água
determinam sistemas de refrigeração que utilizam técnicas
bastante diferentes.
4
6
12 Aquecimento e Técnica.
Esses valores tão diferentes de calor específico da água
(considerada como elemento padrão) e do ar, juntamente
com outras características, são determinantes na escolha
entre os dois sistemas de refrigeração.
Refrigeração a água.
Refrigeração a ar.
No sistema de refrigeração a ar é um ventilador acionado
pelo motor do carro (ventoinha) que joga o ar nas
proximidades dos cilindros fazendo-o circular entre eles.
Essa ventilação forçada retira o calor das peças do motor
jogando-o para a atmosfera.
No sistema de refrigeração forçada de ar temos
disponível uma grande massa de ar em contato com
o carro em movimento.
Nos motores refrigerados a água, os cilindros são permeados
por canais através dos quais a água circula. Bombeada da
parte inferior do radiador para dentro do bloco do motor, a
água retira o calor dos cilindros e depois de aquecida
(aproximadamente 80oC) volta para a parte superior do
radiador.
Tabela 12.1
Substância
Calor específico 
(pressão constante) 
(cal/g.0C)
água a 200C 1
água a 900C 1,005
álcool 0,6
alumínio 0,21
ar 0,24
chumbo 0,031
cobre 0,091
ferro 0,11
gelo 0,5
hidrogênio 3,4
latão 0,092
madeira (pinho) 0,6
mercúrio 0,03
nitrogênio 0,247
ouro 0,032
prata 0,056
tijolo 0,2
vapor d'água 0,48
vidro 0,2
zinco 0,093
Ao circular pela serpentina do radiador (feito de cobre ou
latão) com o carro em movimento, a água é refriada, pois
troca calor com o ar em contato com as partes externas do
radiador. Ao chegar à parte de baixo, a água se encontra a
uma temperatura bem mais baixa, podendo ser novamente
bombeada para o bloco do motor.
Nas câmaras de combustão dos motores de automóveis
o combustível atinge altas temperaturas (cerca de 95oC).
Se esses motores não forem refrigerados continuadamente,
suas peças fundem. Essa refrigeração pode ser feita pela
circulação de água ou de ar, duas substâncias abundantes
na natureza mas que se aquecem de maneira bastante
diferente.
Enquanto 1 grama de água precisa receber 1 caloria de
energia calorífica para elevar sua temperatura de 1oC, 1
grama de ar tem a mesma alteração de temperatura com
apenas 0,24 calorias. A tabela 12.1 mostra o calor específico
da água, do ar e de alguns materiais utilizados em
construções e na indústria.
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7
Esse controle é feito por um termostato operado por
diferença de temperatura, que se comporta como uma
válvula: mantém-se fechada enquanto o motor está frio e
se abre quando a água atinge uma temperatura alta
deixando-a fluir através de uma mangueira até a parte
superior do radiador.
Os carros refrigerados a água dispõem também de uma
ventoinha, acionada pelo motor do carro, que entra em
funcionamento quando o veículo está em marcha lenta ou
parado, ajudando sua refrigeração.
E AS MOTOCICLETAS, COMO SÃO REFRIGERADAS?
As motos tem um sistema de refrigeração bastante
simplificado e de fácil manutenção. Seus motores são
externos e dispõem de aletas que aumentam a superfície
de troca de calor com ambiente, dispensando a ventoinha.
Fontes e trocas de calor.
utiliza-se a água para retirar o calor das tubulações
aquecidadas. Elas são projetados para que a água seja
aproveitada em efeitos decorativos imitando cascatas, por
exemplo, como se vê em lojas, jardins, etc.
Conseguimos utilizar na refrigeração duas substâncias com
calores específicos tão diferentes como o ar e a água
empregando técnicas diversificadas. Entretanto, fica ainda
uma questão:
POR QUÊ AS SUBSTÂNCIAS TÊM VALORES DE CALOR
ESPECÍFICO TÃO DIFERENTES?
Para essa explicação temos que recorrer novamente a
constituição dos materiais.
As substâncias diferentes são formadas por moléculas que
têm massas diferentes. Um grama de uma substância
constituída de moléculas de massa pequena conterá mais
moléculas do que um grama de outra substância constituída
de moléculas de massas maiores.
às custas de uma outra substância. Geralmente, isso é feito
pelo ar de fora do ambiente. Em alguns condicionadores
Nas motos e em alguns tipos de carros a refrigeração é de
ventilação natural.
Em condicionadores de ar, o ar quente do ambiente circula
entre as tubulações do aparelho que retiram o seu calor
devolvendo-o ao ambiente. Desse modo, o local se resfria
mas a tubulação se aquece e, por sua vez, deve ser resfriada
Isto éstá de acordo com os resultados encontrados para o
calor específico tabelados para essas substâncias. O calor
específico da substância A é maior que o calor específico
da substância B.
Quando uma substância atinge uma certa temperatura
imaginamos que todas as suas moléculas têm, em média,
a mesma energia cinética: energia de movimento ou
vibração.
Pensando dessa forma, para aumentar de 1oC a temperatura
de 1 grama de uma substância que contenha mais
moléculas é necessário fornecer uma maior quantidade
de calor, pois é preciso que ocorra um aumento de energia
de cada uma das moléculas. Assim, para aumentar a
temperatura da substância A da figura de 1oC temos que
fornecer mais energia térmica do que para aumentar,
também de 1oC, a temperatura da substância B.
A
B
A
B
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8
 Técnicas de aquecimento: fornos domésticos.
Aquecimento e Técnica.
4
9
13
Calculando a
energia térmica.
Como varia a
temperatura de um
objeto que recebe calor?
Para controlar o aquecimento e resfriar objetos, máquinas ou
ambientes, levamos em conta o calor específico.
Do que mais depende o aquecimento e resfriamento?
A energia térmica necessária para variaar a temperatura de
sólidos, de líquidos..., pode ser calculada.
5
0
13 Calculando a energia térmica.
- Q é a
quantidade de
calor fornecida
ou cedida medida
em calorias (cal)
- m é a massa da
substância
medida e
quilograma (kg)
- ∆t é a variação
de temperatura
medida em grau
Celsius (oC)
- c é o calor
específico da
substância
medido em 
cal
g Co
Se não houver perdas para o exterior (ou se ela for
desprezível) consideramos o sistema isolado. Neste caso,
a quantidade de calor cedida por um dos objetos é igual a
recebida pelo outro. Matematicamente podemos expressar
a relação entre a quantidades de calor como:
Os motores de combustão dos carros necessitam de um
sistema de refrigeração. Para que a refrigeração a ar ou a
água tenham a mesma eficácia, as duas substâncias tem
que retirar a mesma quantidade de calor do motor.
Exercícios:
13.1- Compare as quantidades de ar e de água necessárias
para provocar a mesma refrigeração num motor refrigerado
a ar ou a água.
Resolução:
Supondo que a variação de temperatura da água e do ar
sejam as mesmas, como :
Ou seja, as capacidades térmicas do ar e da água são iguais.
mc C =
A capacidade térmica.
O calor específico de uma substância nos informa quantas
calorias de energia necessitamos para elevar de 1oC a
temperatura de 1 grama dessa substância. Portanto, para
quantificar a energia térmica consumida ao se aquecer ou
resfriar um objeto, além do seu calor específico temos que
levar em conta a sua massa.
Consumimos maior quantidade de calor para levar à fervura
a água destinada ao preparo do macarrão para 10
convidados do que para 2 pessoas. Se para a mesma chama
do fogão gastamos mais tempo para ferver uma massa de
água maior, significa que precisamos fornecer maior
quantidade de calor para ferver essa quantidade de água.
Também para resfriar muitos refrigerantes precisamos de
mais gelo do que para poucas garrafas.
Se pensarmos em como as substâncias são formadas,
quando se aumenta sua massa, aumenta-se a quantidade
de moléculas e temos que fornecer mais calor para fazer
todas as moléculas vibrarem mais, ou seja, aumentar sua
energia cinética, o que se traduz num aumento de
temperatura.
Matemáticamente, podemos expressar a relação entre o
calor específico de um objeto de massa m e a quantidade
de calor necessária para elevar sua temperatura de ∆t Co ,
como:
 ou
tcm ∆××=Q
tm
Q
 c
∆
=
O produto do calor específico de uma substância pela sua
massa (m.c) é conhecido como a sua capacidade térmica
(C).
Quando misturamos objetos a diferentes temperaturas eles
trocam calor entre sí até que suas temperaturas se igualem,
isto é, eles atingem o equilíbrio térmico.
0=+ recebidocedido QQ
arararar tcmQ ∆××=
águaáguaáguaágua tcmQ ∆××=
araráguaágua cmcm ×=×
água
ar
ar
água
c
c
m
m
=
arágua QQ =
⇒=
1
0,24
m
m
ar
água
águaar m4,2
0,24
1
m ×==
5
1
13.2- Uma dona de casa, quer calcular a temperatura
máxima de um forno que não possui medidor de
temperatura. Como ela só dispõe de um termômetro clínico
que mede até 41oC, usa um "truque".
" - Coloca uma forma de alumínio de 400 gramas
no forno ligado no máximo, por bastante tempo.
 - Mergulha a forma quente num balde com 4
litros de água à 25oC.
 - Mede a temperatura da água e da forma depois
do equilíbrio térmico encontrando um valor de
30oC."
Calcule a temperatura do forno avaliada pela dona de casa.
Utilize a tabela de calor específico. Questione a eficiência
desse truque.
Resolução:
O calor cedido pela forma é recebido pela água.
Q Qforma agua+ = 0
 m gf = 400 δ = m
V
ti f
= ? 1
4000 3
=
m g
cm
.
t Cf
o
f
= 30 m gagua = 4000
cal = 0 21, cal/g.0C ti
o
agua
= 25 C
cagua = 1
A temperatura do forno é a mesma da forma.
A eficiência do truque é questionável quando se supõe
que a forma atinge a temperatura máxima do forno.
Também quando desprezamos as perdas de calor para o
exterior (balde, atmosfera).
13.3- Se você colocar no fogão duas panelas de mesma
massa, uma de cobre e outra de alumínio, após alguns
minutos, qual delas estará com maior temperatura?
Justifique sua resposta.
RESOLUÇÃO:
Consultando os dados apresentados na tabela 12.1 vemos
que o calor específico para as duas substâncias é:
Fontes e trocas de calor.
cal/g.0C t 30 Cf
0
agua
=
t Cf
o= + =20000 2520
84
268
Q Q 0forma agua+ =
m c t t m c t t of f f i agua agua f i× × − + × × − =( ) ( )
400 0 21 30 4000 1 30 25 0× × − + × − =, ( ) ( )t forma
C 0,21 cal / g.Al
0= C
C 0,091 cal / g.cu
0= C
Razao =
0,21
0,091
= 2 3,
Ou seja, o calor específico do alumínio é 2,3 vezes maior
do que o do cobre.
Como Q = mc t∆ , para a mesma quantidade de calor
podemos afirmar, então, que a panela de cobre se aquece
mais que a de alumínio, alcançando uma temperatura maior
uma vez que elas têm a mesma massa.
5
2
Teste seu vestibular...
13.4- (UECE) Este gráfico representa a quantidade de calor
absorvida por dois corpos M e N, de massas iguais, em
função da temperatura. A razão entre os calores específicos
de M e N é:
a) 0,5 b) 1,0 c) 2,0 d) 4,0
13.5- (UCMG) A capacidade térmica de um pedaço de
metal de 100g de massa é de 22 cal/oC. A capacidade
térmica de outro pedaço do mesmo metal de 1000g de
massa é de:
a) 2,2 cal/oC c) 220 cal/oC e) 1100 cal/oC
b) 400 cal/oC d) 22 cal/oC
13.6-(UFPR) Para aquecer 500g de certa substância de
20oC a 70oC, foram necessárias 4 000 cal. O calor específico
e a capacidade térmica dessa substância são,
respectivamente:
a) 0,08 cal/g.oC e 8 cal/oC d) 0,15 cal/g.oC e 95 cal/oC
b) 0,16 cal/g.0C e 80 cal/oC e) 0,12 cal/g.oC e 120 cal/oC
c) 0,09 cal/g.oC e 90 cal/oC
13.9- (UFCE-93) Dois corpos A e B estão inicialmente a
uma mesma temperatura. Ambos recebem iguais
quantidades de calor. Das alternativas abaixo, escolha a(s)
correta(s).
01. Se a variação de temperatura for a mesma para os dois
corpos, podemos dizer que as capacidades térmicas dos
dois são iguais.
02. Se a variação de temperatura for a mesma para os dois
corpos, podemos dizer que as suas massas são diretamente
proporcionais aos seus calores específicos.
03. Se a variação de temperatura for a mesma para os dois
corpos, podemos dizer que as suas massa são inversamente
proporcionais aos seus calores específicos.
04. Se os calores específicos forem iguais, o corpo de menor
massa sofrerá a maior variação de temperatura.
13.8- (FUVEST-SP) A temperatura do corpo humano é de
cerca de 36,5oC. Uma pessoa toma 1l de água a 10oC.
Qual a energia absorvida pela água?
a) 10 000 cal c) 36 500 cal e) 23 250 cal
b) 26 500 cal d) 46 500 cal
13.7- (FUVEST 93) Um recipiente de vidro de 500g com
calor específico de 0,20 cal/goC contém 500g de água
cujo calor específico é 1,0 cal/goC. O sistema encontra-se
isolado e em equilíbrio térmico. Quando recebe uma certa
quantidade de calor, o sistema tem sua temperatura
elevada. Determine:
a) a razão entre a quantidade de calor absorvida pela água
e a recebida pelo vidro;
b) a quantidade de calor absorvida pelo sistema para uma
elevação de 1,0oC em sua temperatura.
Calculando a energia térmica.
GREF - Física Térmica/termo3.pdf
GREF
Física Térmica.
versão
 preliminar
 para ler, fazer e pensar
leituras de
física
3
14. Terra: Planeta Ägua.
15. Os materiais e as técnicas.
16. Mudanças sob pressão.
17. O mais frio dos frios.
18. Transfornações gasosas.
Leituras de Física é uma publicação do
GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física
Instituto de Física da USP
EQUIPE DE ELABORAÇÃO DAS LEITURAS DE FÍSICA
Anna Cecília Copelli
Carlos Toscano
Dorival Rodrigues Teixeira
Isilda Sampaio Silva
Jairo Alves Pereira
João Martins
Luís Carlos de Menezes (coordenador)
Luís Paulo de Carvalho Piassi
Suely Baldin Pelaes
Wilton da Silva Dias
Yassuko Hosoume (coordenadora)
ILUSTRAÇÕES:
Fernando Chuí de Menezes
Mário Kano
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junho de 1998
5
3
14
Terra: Planeta
Água.
Lagos, rios e mares.
Orvalho, neblina e
chuvas. Granizos e
geleiras. Estamos
falando de água.
Habitamos um planeta com 70% de sua superfície coberta de
água.
Aqui, quase toda água (97,5%) é salgada: a água dos
oceanos.
Grande parte da água doce se encontra em regiões pouco
habitadas, nos Pólos, na forma de gelo.
O restante da água doce aflora do subsolo cortando as terras
como rios e lagos e se acumulando na atmosfera como vapor.
5
4
14
A vida no nosso planeta teve início na água que é o
elemento que cobre 2/3 da sua superfície e é um dos
principais componentes dos organismos vivos, vegetais
ou animais.
Não podemos "imaginar" vida semelhante à da Terra em
planetas sem água.
A água é a única substância que existe em grandes
quantidades na natureza, nos estados líquido, sólido e
gasoso. Está em contínuo movimento constituindo um
ciclo.
O Ciclo da água.
Das nascentes dos rios, geralmente localizadas nas regiões
altas, a água desce cortando terras, desaguando em outros
rios, até alcançar o mar.
Grande quantidade de água dos rios, mares e da
transpiração das plantas evaporam, isto é, passam para o
estado de vapor ao serem aquecidas pelo sol e devido a
ação dos ventos.
Uma gota d'água do
mar.
Subiu, subiu até
encontrar uma nuvem.
Caiu como chuva.
Molhou plantas e solo.
Percorreu rios.
E... Voltou para o mar.
Transformada em vapor, a água se torna menos densa que
o ar e sobe. Não percebemos o vapor d'água na atmosfera
e nem as gotículas de água em que se transformam, quando
se resfriam, na medida em que alcançam maiores alturas.
Essas gotículas muito
pequenas e distantes umas das outras
(e que por isso não são visíveis) se agrupam e vão constituir
as nuvens.
 como quando a nuvem é envolta por ar em turbulência,
que faz as gotículas colidirem entre sí ou quando a
temperatura da parte superior da nuvem atinge cerca de
0oC.
Terra: Planeta Água.
Para que esse ciclo não se interrompa é necessário que se
mantenham as condições que propiciam a formação e
precipitação das nuvens,
Você pode simular a formação da chuva criando condições
para que a água mude de estado.
Para que uma nuvem formada por bilhões de gotículas se
precipite como chuva é necessário que as gotículas se
aglutinem em gotas d'água que se compõem de cerca de
1 milhão de gotículas. Isto ocorre em situações específicas
A chuva ao cair traz de volta ao solo a água que pode
passar por árvores, descer cachoeiras, correr rios e retornar
para o mar. O ciclo da água está completo.
5
5
A condensação é a passagem do estado de vapor para o
líquido, que ocorre com perda de calor. O vapor d'água
cede calor para o ambiente.
Sempre que uma substância muda de estado há troca de
calor com o ambiente.Esta quantidade de calor necessária
para que ocorra uma mudança de estado é chamada de
calor latente.
No caso da evaporação ou condensação o calor recebido
ou cedido, respectivamente, para o ambiente é o calor
latente de vaporização.
No ciclo da água ocorrem mudanças de estado. A água no
estado líquido ao sofrer um aquecimento ou devido à ação
do vento, evapora. A evaporação é a passagem lenta de
um líquido para vapor, isto é, uma vaporização lenta. Ela
ocorre a diversas temperaturas, sempre retirando calor do
ambiente.O vapor d'água que é menos denso que o ar
sobe, por convecção, ficando sujeito a novas condições de
pressão e temperatura.
A pressão atmosférica, pressão da coluna de ar acima do
local, diminui na medida em que nos afastamos da
superfície. Isto acontece porque a coluna de ar acima vai
diminuindo. Além disso, o ar se torna mais rarefeito (menos
moléculas de ar por unidade de volume) na medida em
que a altitude aumenta.
Este fatores, ar rarefeito e diminuição da pressão atmosférica
fazem com que a temperatura caia. Temos então condições
para que o vapor d'água mude novamente de estado. Ele
se resfria e se condensa formando gotículas.
- Coloque um pouco de água em um recipiente de
vidro e amarre um pedaço de bexiga no gargalo.
Marque o nível da água antes de começar o
experimento. O que você observa após algum tempo?
- Coloque o frasco, por aproximadamente 1 minuto,
em água quente e observe. Em seguida em água fria,
com algumas pedras de gelo por algum tempo.
Observe o que aconteceu.
- Quanto mais vapor houver dentro do frasco, maior
será a umidade relativa do ar. Você acha que a
variação de temperatura influi na umidade relativa
do ar? Como? O aquecimento e o resfriamento
favorecem os processos de mudança de estado?
Como?
- Para variar a pressão sobre o ar no interior do frasco,
coloque água à temperatura ambiente e tampe-o
novamente com a bexiga, aguardando cerca de cinco
minutos. Como a condensação do vapor d'água
ocorre sobre partículas em suspensão, abra o frasco,
coloque fumaça de um fósforo recém apagado no
seu interior e feche-o rapidamente. Isso vai facilitar
a visualização das gotículas.
- Provoque variações de pressão no frasco puxando
e empurrando a tampa elástica. Repita isso várias
vezes e observe. Ocorreu condensação ao puxar ou
ao empurrar a tampa elástica? O que aconteceu com
a pressão nas duas situações? Em que condições
ocorre condensação? Devemos esperar que chova
quando ocorre aumento ou diminuição da pressão
atmosférica?
A diminuição de pressão provoca aumento da
evaporação da água. Com a evaporação ocorre
diminuição da temperatura do ar e consequentemente
condensação do vapor d'água. A "nuvem" que você
observou resultou de um abaixamento de temperatura
provocado pela evaporação da água.
Fazendo Chuva.
Transformações Térmicas.
As mudanças de estado.
5
6
Chove muito ou chove pouco?
Nas regiões de serra próximas ao mar
encontram-se matas fechadas e formações
rochosas que propiciam ambientes
úmidos.
Com escarpas de mais de 1000m de altura
a Serra do Mar funciona como barreira
para os ventos que sopram do oceano
fazendo com que as massas de ar úmido
subam formando nuvens.
Essas nuvens se precipitam como chuvas
orográficas (provocadas pelo relevo). Parte
da água da chuva fica retida nas plantas e
no solo sendo evaporada em grandes
quantidades caracterizando estas regiões
como chuvosas.
Na Serra do Mar, geralmente, chove a cada
dois ou três dias, o que fornece um índice
pluviométrico (medida de quantidade de
chuva) de 4000 milímentros de água por
ano, enquanto na cidade de São Paulo esse
índice é de cerca de 1400 milímetros.
Nestas condições é comum a presença de
serração, pois devido a umidade da região
a quantidade de vapor na atmosfera é
muito grande e na presença de ar mais frio
se condensa em gotículas que constituem
a neblina.
Orvalho, Nevoeiro, Neve e Granizo. Ciclo da água?
O orvalho vem caindo.
Vai molhar o meu chapéu.
 Terra: Planeta Água.
Será que Noel Rosa e Kid Pepe viram o orvalho
cair? Será que o orvalho cai? Como e quando ele
aparece?
O orvalho, parte do ciclo da água, só ocorre em
condições especiais. O ar, o solo e as plantas
aquecidos durante o dia pela radiação solar se
resfriam à noite diferentemente, pois seus calores
específicos são diferentes.
Durante o dia, o solo e as plantas se aquecem
mais que o ar e também se resfriam mais, durante
a noite. Quando a temperatura das folhas das
plantas, superfície de objetos, está mais baixa que
a do ar, pode haver formação de orvalho. O vapor
d'água contido na atmosfera se condensa ao entrar
em contato com essas superfícies mais frias.
Portanto, o orvalho não cai, ele se forma nas folhas,
solo e objetos, quando sua temperatura atinge o
ponto de orvalho.
Ponto de orvalho é a temperatura em que o vapor
d'água está saturado e começa a se condensar.
Em noites de vento, o orvalho não se forma
porque a troca de calor com o meio é acentuada
impedindo o ponto de orvalho no solo.
O granizo se forma em nuvens a grandes
altitudes. As gotas d'água se tornam tão frias
que sua temperatura fica mais baixa que o ponto
de congelamento (00C). Quando essas gotas
d'água interagem com partículas de poeira ou
fumaça, congelam e se precipitam como pedras
de gelo.
Utilize três recipientes, um contendo água,
outro com acetona e outro com álcool, todos
com termômetros.
O que ocorre com as temperaturas dos
termômetros quando eles são retirados dos
líquidos? Como você explica isso?
Coloque um pouco de água em três tubos de
ensaio com termômetros e anote a temperatura.
Envolva-os com papel absorvente molhados
com água, com álcool e outro seco.
O que ocorre com as temperaturas marcadas
nos termômetros?
Por que esfria?
Nevoeiro e Neve.
O nevoeiro consiste na presença de gotículas
de água na atmosfera próxima a superfície
terrestre. Quando a atmosfera é resfriada, por
contato com o ar mais frio, por exemplo, o vapor
d'água se condensa formando gotículas. Se as
gotículas aumentam de tamanho o nevoeiro se
transforma em garoa ou chuvisco.
Em regiões onde a temperatura do ar frio é
muito baixa, o vapor d'água pode se transformar
em cristais de gelo, caindo em flocos,
constituindo a neve.
A passagem do estado de vapor para sólido é
chamada de sublimação.
Chuva de Granizo
5
7
15
Os Materiais e as
Técnicas.
"Fundiu" o motor?
"Queimou" a lâmpada?
"Derreteu" o gelo?
É de ferro fundido?
Mudou de Estado?
Estamos falando de Mudança de Estado.
São necessários cuidados de
manutenção na refrigeração e
lubrificação para evitar que o
carro "ferva" e que o motor
funda.
Na fabricação de blocos de
motores, de carrocerias de
caminhões e de panelas, é
necessário que o ferro, o aço
e o alumínio estejam
derretidos para serem
moldados.
5
8
15 Os Materiais e as Técnicas.
No nosso dia a dia transformamos água em vapor ao
cozinharmos e água em gelo em nossas geladeiras. A água
é uma das raras substâncias que
é encontrada na natureza
nos três estados físicos: como vapor na atmosfera, líquido
nos rios e mares e sólido nas geleiras.
Embora qualquer substância possa ser sólida, líquida ou
gasosa, produzir uma mudança de estado em algumas delas
não é uma tarefa simples como acontece com a água. Sendo
assim, temos que empregar técnicas específicas como o
que ocorre com o gás hélio que só se condensa a baixas
temperaturas (-269oC) e mesmo a baixíssimas temperaturas
só se solidifica com alterações de pressão.
Algumas técnicas como a fundição que consiste no
derretimento dos metais para serem moldados, são
empregadas com sucesso há bastante tempo e vêm
sofrendo atualizações. O ferro e o cobre deixam de ser
sólidos, isto é se fundem, a temperaturas de cerca de
1500oC, que são conseguidas em fornos metalúrgicos.
Da mesma maneira que a fusão dos metais é essencial na
fabricação de peças de automóveis, carrocerias de
caminhões, ferrovias, eletrodomésticos, etc., a vaporização
da água é o processo físico que garante o funcionamento
de uma usina termoelétrica. A água aquecida na caldeira
vaporiza e o vapor a alta temperatura e pressão move as
pás de uma turbina que gera energia elétrica.
Numa ação corriqueira como a de acender uma vela
produzimos duas mudanças de estado: a fusão e a
vaporização da parafina.
No entanto, nem sempre a mudança de estado é
desejável. Não queremos, por exemplo, que as lâmpadas
de nossas casas se "queimem". O filamento das lâmpadas
incandescentes são de tungstênio, que funde à temperatura
de 3380oC. Se essa temperatura for atingida pelo filamento
ele se rompe, ao fundir, interrompendo o circuito. Também
tomamos cuidado com a lubrificação e refrigeração dos
motores de nossos carros, evitando assim que o motor
funda.
Nas mudanças de estado
sempre ocorrem trocas
de calor.
Quando se acende o
pavio de uma vela a
parafina (mistura de
hidrocabonetos) próxima
a ele se liquefaz e depois
se vaporiza. O gás sobe
por convecção e reage
com o oxigênio do ar,
produzindo água e gás
carbônico com liberação
de energia térmica e
luminosa. É isso que
constitui a chama.
O que é a chama?
Na fusão (passagem de sólido para líquido) e na vaporização
(passagem de líquido para vapor) sempre fornecemos calor
às substâncias. Na solidificação (passagem de líquido para
sólido) e na condensação (passagem de gás para líquido)
sempre retiramos calor das substâncias.
A temperatura em que cada substância muda de estado é
uma propriedade característica da substância.
Os valores da temperatura de mudança de estado e do
calor latente respectivo definem o seu uso na indústria. A
tabela 15.1 fornece os pontos de fusão e de ebulição e
também o calor latente de fusão e de vaporização de
algumas substâncias à pressão atmosférica.
A quantidade de calor necessária para que um grama de
substância mude de estado é o seu calor latente que
também é uma propriedade característica.
5
9
Você pode identificar a temperatura de fusão e de ebulição
de uma substância e interpretar o significado do calor
latente, medindo sua temperatura enquanto lhe fornece
calor, até que ela mude de estado.
Derretendo o gelo até ferver!
- Coloque alguns cubos de gelo em uma vasilha
que possa depois ser levada à chama de um fogão e
deixe-os derreter medindo a temperatura antes e
enquanto os cubos derretem. Não se esqueça de
mexer, de vez em quando, para manter o equilíbrio
térmico.
- Você vai observar que desde o momento em que o
gelo começa a derreter até que ele se transforme
totalmente no estado líquido, o termômetro marca
a mesma temperatura. Anote esse valor.
Mas, se o sistema água e gelo continua trocando
calor com o ambiente, por quê a temperatura não
variou?
- Depois da fusão de todo o gelo você vai perceber
que o termômetro indica temperaturas mais elevadas.
A água está esquentando.
- Coloque a água para aquecer sobre a chama de
um fogão. A partir do momento em que a água entra
em ebulição, o termômetro se mantém no mesmo
nível enquanto houver água na vasilha. Anote essa
temperatura.
Por quê enquanto a água se transforma em vapor a
temperatura não muda embora ela receba calor?
Aquecendo-se uma substância no estado sólido, a rede
cristalina se mantém com as moléculas vibrando mais, ou
seja, com maior energia cinética. Se o aquecimento
continua, a velocidade das moléculas faz com que elas se
afastem a ponto de romper a rede cristalina, o que acontece
quando este aquecimento atinge a temperatura de fusão.
Todo o calor recebido pela substância é utilizado para
romper a rede cristalina e por isso ela não tem sua
temperatura aumentada. Esse é o calor latente de fusão.
Para fundir um objeto de massa m que está a temperatura
de fusão temos que fornecer a ele uma quantidade de
calor Q = mL
f 
 onde L
f
 é o calor latente de fusão.
Na ebulição as moléculas do líquido ao receberem calor,
adquirem maior energia cinética e se separam quando
atingem a temperatura de ebulição, transformando-se em
gás. O calor latente de vaporização (L
v
) é o calor utilizado
para separar as moléculas.
Para vaporizar uma substância de massa m que se encontra
na temperatura de vaporização é necessário fornecer-lhe
uma quantidade de calor Q= m L
v 
.
Na mudança de estado em sentido contrário, o líquido
cede calor ao ambiente (é resfriado) para reorganizar suas
moléculas numa rede, tornando-se sólido. Este processo
é chamado de solidificação.
O gás cede calor ao ambiente (é resfriado) para aproximar
suas moléculas se liquefazendo. Neste caso, o processo é
chamado condensação.
Você pode ter encontrado um valor diferente de 100oC
durante a ebulição da água, pois essa é a temperatura de
ebulição quando a pressão é de uma atmosfera, isto é, ao
nível do mar.
Explicar porque a temperatura se mantém constante
durante a mudança de estado, entretanto, é mais
complexo. Temos que recorrer novamente ao modelo
cinético de matéria.
Durante qualquer
mudança de estado a
temperatura da
substância se mantém
constante.
CALCULE A QUANTIDADE DE
CALOR NECESSÁRIA PARA
VAPORIZAR 200G DE GELO
QUE ESTÁ À -200C. UTILIZE
OS DADOS DAS TABELAS 12-1
E 15-1.
Transformações Térmicas.
É possível representar
graficamente o
aquecimento do gelo até
sua vaporização.
6
0
Um lago gelado. Os icebergs flutuam no mar de água salgada (mais densa
que a água doce) com 90% do seu volume submerso.Nos países de inverno rigoroso a superfície de rios e lagos
se congelam.
Abaixo do gelo, entretanto, a água permanece no estado
líquido, o que garante a sobrevivência dos peixes. Este
fenômeno está relacionado com um comportamento
anômalo da água entre 4oC e o seu ponto de fusão (0oC).
Normalmente as substâncias se dilatam na medida em que
recebem calor. A água entretanto se dilata quando perde
calor entre 4oC e 0oC, isto é, ela se torna menos densa. É
por isso que o gelo flutua na água.
As águas das superfície de rios e lagos em contato com o
ar frio, nos países de inverno rigoroso, se congelam. As
moléculas de água ao formarem a rede cristalina na
solidificação (0oC), ficam distantes uma das outras ocupando
um volume maior.
Como as camadas inferiores de água não entraram em
contato com o ar frio elas se mantêm à temperatura de
4oC, e por isso são mais densas que o gelo; suas moléculas
não sobem ficando isoladas abaixo do gelo superficial,
permanecendo no estado líquido.
É também devido ao fato do gelo ser menos denso que a
água que os icebergs flutuam. Além disso, temos que
lembrar que essas enormes montanhas de gelo são
provenientes dos continentes, arrastadas para o mar no
verão (época do degêlo) e são constituídas de água doce.
Vidro: Líquido ou Sólido?
O vidro é fabricado a partir de materiais fundidos de tal
modo que não se cristalizam, permanecendo num estado
amorfo. É um líquido de viscosidade tão grande que na
prática se comporta como um sólido.
A sílica ou quartzo (S
i
O
2
) é uma das raras substâncias que
se esfriam depois de fundidas sem formar a rede cristalina.
A sílica pura, que se obtém da areia, entretanto é difícil de
ser manipulada porque sua viscosidade é
muito elevada e
também o seu ponto de fusão bastante alto (1.723oC).
Para baratear o vidro junta-se soda à sílica, o que diminui o
ponto de fusão, e cal (carbonato de cálcio) para tornar o
produto insolúvel. Outras substâncias como óxidos de
magnésio são misturadas para dar ao produto a cor branca.
Vidros especiais como o Pyrex que suportam mudanças
bruscas de temperatura têm como ingrediente o ácido
bórico, que dá ao produto uma baixa dilatação térmica.
Quanto à técnica de fabricação, o vidro pode ser moldado,
laminado e soprado. Na técnica de modelagem a matéria
prima é fundida, colocada em moldes e sofrem a injeção
de ar comprimido que depois é extraído e as peças
moldadas são recozidas, isto é, esquentadas novamente
em fornos especiais para serem esfriadas lentamente
evitando que se quebrem facilmente. As garrafas e vidros
são fabricados por esse processo.
No vidro laminado, a mistura fundida passa entre grandes
rolos e é deixada para esfriar, podendo depois ser polida.
São os vidros de janelas ou espelhos.
Já a técnica de soprar, se constitui numa arte. O artesão
sopra uma quantidade de vidro em fusão por um tubo.
Forma-se uma bolha à qual ele vai dando forma usando
ferramentas especiais. São objetos artísticos como licoreiras,
cálices, bibelôs.
Os Materiais e as Técnicas.
6
1
16
Mudanças sob
pressão.
Aumentou a pressão?
O vapor está saturado?
A água só ferve à
100oC?
Vai mudar de estado?
Em que condição o feijão cozinha
em menos tempo?
6
2
16 Mudanças sob pressão.
Altitude (m) Pressão (cmHg)
0 76
500 72
1000 67
2000 60
3000 53
4000 47
5000 41
6000 36
7000 31
8000 27
9000 24
10000 21
Tabela 16.1
E SE DIMINUIRMOS A PRESSÃO, A ÁGUA VAI ENTRAR EM
EBULIÇÃO A TEMPERATURAS MENORES DO QUE 1000C?
Para conseguirmos pressões menores do que 1 atmosfera
basta estarmos em regiões de grandes altitudes. Numa
montanha de 6 000 metros de altura, por exemplo, a
pressão atmosférica é de 1/2 atmosfera e a água entraria
em ebulição a 800C.
A tabela 16.2 nos dá alguns valores da temperatura de
ebulição da água a diferentes pressões.
Numa panela comum os alimentos cozidos em água
atingem no máximo a temperatura de 1000C. Quando
queremos preparar um doce ou aquecer uma comida que
não deve atingir altas temperaturas, o fazemos em banho-
maria.
Sendo cozido a temperaturas mais altas, numa panela de
pressão por exemplo, o alimento fica pronto em menos
tempo.
Se alterarmos a pressão, a ebulição da água não ocorrerá à
temperatura de 1000C. É o que acontece numa panela de
pressão que cozinha os alimentos a pressões mais altas
que 1 atmosfera; isto faz com que a água só entre em
ebulição a temperaturas de cerca de 1200C.
No Sistema Internacional
(SI) a pressão é expressa
em N/m2.
Quando apresentamos a escala Celsius atribuimos o valor
1000C à temperatura da água em ebulição.
PORÉM , SERÁ QUE A ÁGUA SEMPRE FERVE À MESMA
TEMPERATURA? HÁ ALGUM FATOR QUE ALTERE ISSO?
A água só ferve a 1000C ao nível do mar devido à pressão
atmosférica que varia conforme a altitude.
A pressão atmosférica é devida ao ar que exerce seu peso
em toda a superfície da Terra. A pressão é resultante de
uma força exercida por unidade de área, .
P
F
A
=
Ao nível do mar a pressão atmosférica assume seu valor
máximo pois a espessura da camada de ar é a maior possível
(a pressão atmosférica é de 1 atmosfera). Nesse nível, a
pressão do ar equilibra uma coluna de mercúrio de 76 cm
contido num tubo de 1 cm2 de área de secção; isto foi
concluído pelo físico Torricelli.
76 cm de mercúrio equivalem à pressão de uma
atmosfera. Quanto maior for a altitude menor será a
pressão.
1atmosfera= 105 N/m2
MAS, SERÁ QUE A ALTERAÇÃO DE PRESSÃO INTERFERE NA
EBULIÇÃO OU CONDENSAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA?
6
3
O que acontece com a temperatura de ebulição da água se a
pressão exercida for diferente da pressão atmosférica normal?
Transformações Térmicas.
Fervendo sob pressão.
Com certeza, a pressão sobre a água teria
aumentado muito impedindo a ebulição.
Seria necessário aquecer mais para
provocar nova ebulição nessas
condições, o que ocorreria em
temperaturas maiores que a encontrada
anteriormente.
Se você deixasse sair o vapor e fechasse
novamente o balão, podeira provocar
agora um efeito contrário.
Mantendo o balão suspenso, esfregue
pedras de gelo na sua parte superior,
diminuindo a temperatura e portanto a
pressão do gás sobre o líquido. Isso você
pode fazer, não há perigo.
Para examinar os efeitos da pressão sobre a
ebulição da água, utilize uma fonte de calor,
um balão de vidro pyrex contendo 1/4 de seu
volume de água e uma rolha com termômetro
(até 1100C).Para começar, você pode conhecer
a temperatura de ebulição da água sob pressão
normal. Para isso, aqueça o sistema que deve
estar aberto e com o termômetro. Qual é a
temperatura?
Agora, o que você acha que aconteceria com
a água se você fechasse a tampa do balão e
mantivesse o aquecimento? Cuidado, isso é
muito perigoso, portanto NÃO FAÇA. Você acha
que a ebulição continuaria? O que aconteceria
com a temperatura?
Nesse experimento, qual situação é
semelhante ao que ocorre numa panela
de pressão? E a que ocorre em grandes
altitudes?
Ela volta a ferver? A que temperatura?
Repetindo outras vezes esse resfriamento,
qual a menor temperatura de ebulição
obtida?
Temperatura de ebulição da água a
diferentes pressões.
Tabela 16.2
P (atm) P (mmHg) T (oC)
6,05x10-3 4,6 0
22,37x10-3 1,7x101 20
72,37x10-3 5,5x101 40
197,37x10-3 1,5x102 60
0,474 3,6x102 80
1 7,6x102 100
2 15,2x102 120
5 38,0x102 152
10 76x102 180
20 15,2x103 213
40 30,4x103 251
60 45,6x103 276
O MONTE ACONCÁGUA NOS ANDES ESTÁ A
7000M DE ALTITUDE E O EVEREST, NO
HIMALAIA , A 8000M. CONSULTE A TABELA E
DESCUBRA O VALOR DA PRESSÃO ATMOSFÉRICA
NO TOPO DE CADA PICO. QUAL A
TEMPERATURA DE EBULIÇÃO DA ÁGUA NESSES
LUGARES?
6
4
Por quê sob pressões
diferentes a água ferve a
temperaturas diferentes?
Para respondermos a essa pergunta devemos levar em
conta o que ocorre com as moléculas de água e com as de
ar.
Na ebulição, as moléculas de água possuem energia cinética
suficiente para escapar pela superfície do líquido indo para
o estado gasoso, na forma de vapor d'água.
Por outro lado, a pressão atmosférica exercida na superfície
do líquido é devida ao grande número de moléculas do ar
que se chocam com ela.
A temperatura de ebulição de 1000C corresponde a uma
energia cinética das molécula de água suficiente para elas
escaparem pela superfície apesar da pressão de 1atmosfera
exercida pelo ar.
Quando se aumenta a pressão do ar sobre a água, as
moléculas de água necessitam de maior energia cinética
para vencer a pressão externa. Nesse caso, a temperatura
de ebulição será maior que 1000C.
Quando se diminui a pressão sobre o líquido fica facilitado
o escape das moléculas de água do estado líquido para o
gasoso; mesmo moléculas dotadas de menor energia
cinética conseguem escapar da superfície, o que caracteriza
uma temperatura de ebulição menor que 1000C.
Exercícios.
01) Determine as pressões no interior de uma panela
comum e de uma panela de pressão com água fervente.
A massa da tampa da panela comum e da válvula da panela
de pressão é de 100g. O diâmetro interno do pino da
panela de pressão é de 0,2cm e o da panela comum é de
20cm.
Resolução:
Como P P Pat vint = + Pint =
Pat = pressão atmosférica.
Pv = pressão do vapor
d'água.
Pint = × + × = ×1 10 3 3 10 4 3 105 5 5
2
, ,
N
m
Note que na panela de
pressão a pressão interna
é em torno de quatro
vezes maior do que a de
uma panela comum.
Mudanças sob pressão.
 pressão no interior da
panela.
Na panela comum:
21-
-1
tampa
2
tampa
v
)10(1
10101
r
gm
A
F
P
××π
××=
π
×
==
m-1-2 101010R =×=
Pv =
× ×
=
−
1
31 1 10
33
2 2,
N
m
Assim:
Pv =
×
= ×
−
1
3 10
3 3 10
6
5
2
,
N
m
Na panela de pressão:
23-
-1
2
válvula
v
)10(13,1
10101
r
m
A
F
P
××
××=
π
×
==
pino
g
m100,1cmR -3==
P (1 10 33) 1 10
N
m
int
5 5
2
= × + ≅ ×
6
5
17
O mais frio dos frios.
Experiências sofisticadas de laboratório em
que se resfriam gases como o hidrogênio,
nitrogênio ou hélio, apontam para o menor valor de temperatura possível e que não
pode ser atingido na prática.
Essa temperatura é chamada de zero absoluto e define uma nova escala de
temperatura.
Para estudar os gases precisamos utilizar essa nova escala de temperatura, a
Escala Kelvin.
Pode-se aquecer ou
resfriar uma substância
indefinidamente?
Como se medem
temperaturas muito
baixas?
6
6
17 O mais frio dos frios.
MAS, DE QUANTO DILATA UM GÁS? COMO ESSA PROPRIEDADE
PODE SER USADA PARA SE CONSTRUIR UM MEDIDOR DE
TEMPERATURA ABSOLUTA?
Experiências simples como esta, feitas com ar, mostram
que os gases dilatam bastante quando aquecidos e
contraem quando resfriados.
Enchendo o balão
Um recipiente de vidro com uma rolha furada e uma
bexiga de borracha presa a ela podem servir para
você observar o comportamento do ar quando
aquecido ou resfriado.
Coloque esse conjunto dentro de uma vasilha de
água quente e observe o que ocorre com o volume
da bexiga. Ela mostra o que acontece com o ar do
recipiente de vidro.
Coloque em seguida o conjunto dentro de uma
vazilha de água gelada. O que ocorre agora com o
volume da bexiga?
O que você pode dizer sobre o número de moléculas
de ar dentro do conjunto durante o aquecimento e
o resfriamento?
E quanto ao comportamento da pressão?
Para medir e controlar temperaturas utilizamos em nossos
estudos as propriedades das substâncias de emitirem luz e
se dilatarem quando aquecidas, "construindo" pirômetros
ópticos, termostatos e termômetros de mercúrio ou de
álcool. Esses termômetros entretanto não são capazes de
avaliar temperaturas muito baixas pois essas substâncias
termométricas também congelam a uma certa temperatura.
Medidas de temperatura muito baixas podem ser realizadas
com algumas substâncias no estado gasoso.Nesse estado,
para que o gás fique bem caracterizado é preciso conhecer
a que pressão ele está submetido, o seu volume e sua
temperatura.
Na escala Celsius as medidas de temperatura são relativas
pois têm os pontos de fusão do gelo e de ebulição da
água como referências. O zero grau Celsius, por exemplo,
não significa um valor zero absoluto e sim que a substância
se encontra à temperatura de fusão do gêlo.Tanto a escala
Celsius como a Fahrenheit só são úteis quando queremos
trabalhar com variações de temperatura.
No caso dos gases, os manômetros medem pressões com
uma escala que se inicia no ponto zero, com um significado
físico de pressão zero, e o volume (m3) também é tomado
a partir de um volume zero.
Assim, como não tem significado físico uma pressão ou
volume negativos, a temperatura absoluta de um gás
também não pode ser menor do que zero. Foi preciso,
então, encontrar uma escala à qual se atribuísse a
temperatura mais baixa possível, o ponto zero.
Os gases, por se dilatarem mais do que os líquidos e sólidos,
se mostraram uma boa substância termométrica para ser
usada num "medidor" de temperatura absoluta. Além disso,
a uma alta temperatura e baixa pressão todos os gases se
comportam da mesma maneira, e o seu coeficiente de
dilatação nestas condições é sempre o mesmo. Chamamos
este tipo de substância de gás ideal.
Você pode verificar a expansão e contração do ar com a
 próxima atividade, buscando entender, a construção de
um termômetro a gás.
ENQUANTO AS PESQUISAS
APONTAM PARA UM LIMITE
INFERIOR DE TEMPERATURA,
O "FRIO ABSOLUTO", NADA
LEVA A CRER QUE HAJA UM
LIMITE PARA ALTAS
TEMPERATURAS. EM
PRINCÍPIO PODE-SE
AQUECER UMA SUBSTÂNCIA
INDEFINIDAMENTE.
6
7
O diagrama ao lado mostra que o volume do gás será zero
quando a temperatura for -2730C.
Um volume reduzido a zero significa que as moléculas se
movimentariam o mínimo possível, nestas condições a
energia das moléculas seria mínima, praticamente só a
energia de configuração dos átomos e moléculas do gás.
Da mesma maneira não há colisões das moléculas com as
paredes do recipiente, o que é interpretado como uma
pressão mínima possível.
O FATO DA ENERGIA CINÉTICA TOTAL DAS MOLÉCULAS SER
PRATICAMENTE ZERO É INTERPRETADO COMO UMA
TEMPERATURA ABSOLUTA ZERO.
Essa temperatura -2730C foi chamada de zero absoluto
por Wilian Tompson, que recebeu o título de Lord Kelvin
em 1848.
Na prática, o ponto zero absoluto não pode ser atingido. A
menor temperatura medida em laboratório foi de fração
de grau acima do zero absoluto.
Foi chamada de escala Kelvin ou escala absoluta a escala
termômétrica que atribuiu ao zero absoluto o ponto zero;
a temperatura de fusão da água o ponto 273K e a
temperatura de ebulição da água o ponto de 373K.
Assim, tal como na escala Celsius, entre o ponto de fusão e
o de ebulição da água temos uma diferença de 1000C, na
escala Kelvin também temos uma diferença de 100K.
É ESSA ESCALA DE
TEMPERATURA ABSOLUTA
QUE USAREMOS PARA
ESTUDAR OS GASES.
Um termômetro a gás a pressão
constante.
Se colocássemos gás num tubo longo de vidro de 1mm2
de secção (área) confinado por uma gota de mercúrio
perceberíamos a gota de mercúrio subir ou descer, quando
o tubo fosse aquecido ou resfriado. A variação do volume
do gás em função da temperatura obedece uma regra muito
simples.
Mergulhando o tubo numa vasilha de água em ebulição,
ou seja, a temperatura de 1000C o comprimento da coluna
de gás seria de 373 mm. Se a água fosse resfriada a 500C a
altura de coluna passaria a 323 mm.Veja que houve uma
diminuição no comprimento da coluna de 50 mm.
Colocando o tubo em água com gelo a 00C o comprimento
da coluna de gás seria de 273 mm. Neste caso, o
comprimento da coluna teria diminuido mais 50 mm.
Nestas situações, a pressão do gás seria constante (pressão
atmosférica) e o volume do gás seria proporcional ã variação
de sua temperatura. Com esse termômetro, poderíamos
descobrir a temperatura do gás, medindo-se o seu volume.
O volume é a propriedade termométrica desse
termômetro.
Reduzindo mais a temperatura, sem que o gás se
condensasse, o que se conseguiria em laboratórios
especializados, o seu volume seria de 73 mm3 à -2000C.
Um gás considerado perfeito ou ideal tem sempre seu
volume diminuído de 1/273 para cada redução de
temperatura de 1 grau centígrado. Esse comportamento
caracteriza os gases perfeitos.
Transformações térmicas
6
8
Ambiental: Controle de poluição
do ar.
Controle de filtros que, dependendo
do material e da temperatura em que
se encontram (baixas temperaturas),
absorvem gases poluentes.
Veterinária: Banco de Semen.
Os bancos de Semen conservam à
temperatura de 77K o semen de
animais reprodutores utilizados em
inseminações artificiais e enviados
para locais distantes, congelados
através de embalagens onde circula
o nitrogênio líquido.
Medicina: Bisturi criogênico.
Nesse bisturi utiliza-se a circulação
de nitrogênio líquido e controla-se a
temperatura desejada a partir de um
aquecedor. O uso desse instrumento
permite que só a parte a ser removida
do tecido seja submetida a baixas
temperaturas preservando-se os
tecidos sadios. As cicatrizações das
incisões feitas com esse bisturi são
mais rápidas e com menores riscos
de infecção.
Tecnologia: Quebra de castanhas do
Pará.
As cascas das castanhas quando
submetidas a baixas temperaturas são
quebradas facilmente sem que o fruto
sofra alterações.
Tecnologia: Nitrogênio líquido.
O nitrogênio líquido é fabricado a
partir da liquefação do ar o que se
consegue atingindo a temperatura de
77K. É empregado na medicina,
veterinária e na tecnologia.
Criogenia é o estudo da produção de baixas temperaturas,
inferiores a 273,15 K (00C).
Em 1911 foi observado pela primeira vez que alguns
metais como o mercúrio tornavam-se supercondutores,
isto é, conduziam eletricidade sem oferecer resistência
quando congelados perto do zero absoluto. Como essas
baixas temperaturas só podem ser obtidas com generosa
aplicação do hélio líquido, muito caro, as pesquisas
continuaram buscando a supercondutividade a
temperaturas mais elevadas.
A partir de 1985 foram descobertos novos materiais: o
óxido de cobre a 35 K, óxidos cerâmicos baseados em
terras raras como o ítrio, por exemplo,
a 98K, tornavam-
se supercondutores a temperaturas em que o nitrogênio,
bem mais barato, já podia substituir o hélio.
Cerâmicas supercondutoras de cobre, ítrio e bário que
funcionam bem a -1480C, com estrôncio e cálcio chegam
a funcionar a temperaturas de -1030 C. Pesquisadores de
todo o mundo se empenham na busca de materiais
supercondutores de alta temperatura para fabricação de
chips de computadores, fibras ópticas, etc..,
O trem bala
Eletroímãs supercondutores feitos com fios de liga de
nióbio, a temperaturas de aproximadamente 20K, são
colocados logitudinalmente na parte inferior do trem,
enquanto os trilhos são dotados de chapas de alumínio na
mesma direção dos eletroímãs.
Quando o trem se move a direção das linhas do campo
magnético dos eletroímàs perpendicular as superfícies
das chapas, induz correntes elétricas que, por sua vez,
interagem com as dos eletroímas. Isto provoca uma
repulsão que ergue o trem a uns 10 cm do chão fazendo-
o deslizar sobre um colchão magnético, o que permite
velocidades da ordem 500 Km/h. O trem só se apoia
sobre rodas quando está em baixas velocidades ou parado.
Criogenia: A indústria do "muito frio".
Tecnologia: Aproveitamento de
pneus descartados.
Pneus velhos e plásticos, após o
congelamento com nitrogênio líquido,
são pulverizados e misturados com
asfalto para pavimentação. Essa mistura
nas proporções adequadas torna a
superfície mais aderente do que o asfalto
comum. Além disso utiliza material que
por não ser biodegradável se constitui
num problema para a reciclagem do lixo.
Tecnologia: Tratamento de metais.
Com o tratamento do aço através do
nitrogênio líquido num processo
elaborado sem choques térmicos obtém-
se um aço mais duro e resistente ao
desgate.
Ambiental: Simulação de ambientes
espaciais.
Retirando as moléculas do ar pelo
processo de absorção a baixas
temperaturas, conseguem-se pressões
muito baixas que simulam ambientes
extra terrenos.
Kryosgennáo
O mais frio dos frios.
6
9
18
Transformações
Gasosas.
Em termômetros a gás,
bombas de encher
pneus, balões, aparelhos
respiratórios para
submersão, etc. ocorrem
transformações gasosas.
Sempre que um gás é resfriado ou aquecido os valores de sua pressão e volume
se alteram. Há uma regra para essas alterações?
A compressão ou a descompressão de um gás também provocam variações no
seu volume e na sua temperatura absoluta?
Experiências realizadas com gases, mantêm constante uma das grandezas:
temperatura, pressão ou volume , avaliando como variam as outras duas e
estabelecendo leis para as transformações gasosas.
7
0
18 Transformações Gasosas
P
T
P
T
constante1
1
2
2
= =
Um gás pode ter sua temperatura mantida constante e
sofrer uma transformação onde a pressão e o volume variam.
Esse estudo foi realizado por Boyle (Veja no quadro ao
lado a sua experiência.)
Se a pressão do gás aumentar o seu volume diminui de tal
modo que vale a relação:
P V P V constante1 1 2 2= =Lei de Boyle
Um gás também pode passar de uma condição (estado)
para outra variando ao mesmo tempo a pressão, o volume
e a temperatura. Essa transformação obedece ao mesmo
tempo as três equações apresentadas, isto é:
P V
T
P V
T
cte1 1
1
2 2
2
= =Equação Geral dos Gases
Para estudar a variação da pressão de um gás mantido a
volume constante utiliza-se um dispositivo contendo uma
certa quantidade de gás, isolado do ambiente por um
tubo flexível em forma de U contendo mercúrio, um
termômetro a gás a volume constante. Um manômetro
indica valores da pressão.
Quando o gás é aquecido o seu volume pode ser mantido
constante elevando a extremidade do tubo de modo que
o ponto N permaneça fixo. A altura h do tubo que contém
mercúrio equilibra a pressão do gás contido no reservatório.
Quando o gás é resfriado, ao contrário, a extremidade
do outro tubo deve ser abaixada. A temperatura do gás
é calculada através da pressão indicada no manômetro.
A pressão pode ser variada alterando
a altura de mercúrio do ramo direito,
mantendo constante a temperatura.
Termômetro a gás a volume
constante.
Como vimos na leitura anterior é possível descobrir a
temperatura absoluta de um gás medindo-se o seu volume.
Neste tipo de transformação gasosa que ocorre a pressão
constante (isobárica) o volume do gás é diretamente
proporcional à sua temperatura absoluta, o que pode ser
representado através da relação:
Lei de Charles-Gay Lussac onde os índices 1 e 2
caracterizam a primeira e a segunda condição do gás.
No entanto, podemos aquecer ou resfriar um gás mantendo
constante o seu volume e observando como sua pressão
varia.(Veja no quadro ao lado o funcionamento de um
termômetro a gás a volume constante)
A pressão indicada no manômetro aumenta
proporcionalmente com a temperatura absoluta do gás, o
que pode ser representado pela equação:
constante
T
V
T
V
2
2
1
1 ==
Transformação isotérmica.
Transformação isobárica.
Transformação
isovolumétrica.
ESSA CURVA É CHAMADA
ISOTERMA.
Lei de Charles-Gay Lussac
No estudo dos gases realizado por Boyle foi utilizado um
tubo em U fechado em uma extremidade e aberto na
outra contendo gás e mercúrio. Mantendo a temperatura
constante Boyle provocou alterações na pressão
observando como o volume do gás variava.
A experiência de Boyle.
7
1
Kmol
cal
1,986
Kmol
m)(N/m
8,31 R
32
..
. ==
O resultado é a constante universal dos gases:
Uma importante propriedade dos gases foi apresentada
por Avogrado: "um mol de qualquer gás nas condições
normais de temperatura e pressão, ocupa sempre o mesmo
volume de 22,415 litros e possui 6,02.10-23 moléculas (N
o
)."
O mol de uma substância é sua massa molecular expressa
em gramas. Por exemplo:
um mol de gás de oxigênio (O
2
) = 32g
um mol de gás hidrogênio (H
2
) = 2g
um mol de água (H
2
O) = 18g
Se aplicarmos a equação geral dos gases a um mol de
gás, o resultado será sempre o mesmo para qualquer gás:
nRTP.V =
Para n moles de um gás: , ou
nR
T
P.V =
Para um mol de um gás: R=
T
P.V
mol.K
atm.l
0,082 R =
Teoria cinética dos gases.
A pressão de um gás sobre as paredes do recipiente está
relacionada com a energia cinética média das moléculas e
a temperatura absoluta através das seguintes relações:
Equação dos gases perfeitos ou
equação de Clapeyron.
273K
0,0224m)N/m10(1,013
273K
22,4l1atm
T
PV 325 ××=×=
mc
m E
V
N
3
2
V
N.m.v
3
1
P ==
2
n = número de moles
N = número de moléculas
V = volume
m = massa de cada
molécula
v = velocidade das
moléculas
N
0
= 6,02x1023 moléculas
por mol
Transformações térmicas
MACROSCÓPICA MICROSCÓPICA
massa número de
moléculas
temperatura energia cinética
pressão choque das
moléculas com as
paredes
volume distância média
entre as moléculas
Com essas equações relacionamos pressão e temperatura
que são grandezas macroscópicas com a energia cinética,
que é uma grandeza microscópica. Portanto, é possível
estabelecer uma equivalência entre uma grandeza
macroscópica e uma grandeza microscópica.
Exemplo:
01) Qual é a energia cinética
média por molécula à
temperatura ambiente?
Resolução:
Se: t=220C=273+22=295K
Constante de
Boltzman
, onde:
0N
R
k =e0nNN =
k = 1,38 10
J
molecula.K
-23×
kT
2
3
E
mc
kT
2
3
E
mc
E
3
2cm
≅ × × × −295 1 38 1023,
Ecm
= × × −3
2
4 07 1021, J
E 6,105 10 Jc
-21
m
= ×
7
2
04) Considerando que um motor a diesel esteja funcionando
a uma taxa de compressão de 14:1 e que a temperatura
do ar em seu interior atinja o valor de aproximadamente
7000C, calcule o máximo valor da pressão do cilindro antes
da injeção do diesel, sabendo que a temperatura ambiente
é de 270C e a pressão é de 1 atmosfera.
OBS:
- A pressão inicial do ar na câmara é a do local, 1 atmosfera.
- O volume inicial do ar é V
1
 e o final é V
1
/14.
- Use temperaturas Kelvin.
03) Um freezer, regulado para manter a temperatura em
seu interior a -190C, foi fechado e ligado quando a
temperatura ambiente estava a 270C.
a) Determine a pressão em seu interior após um certo
tempo de funcionamento.
b) Compare esse valor com o da pressão