Energia em sistemas elétricos

Este resumo segue a ordem das Aprendizagens Essenciais: corrente elétrica, diferença de potencial e resistência, a lei de Ohm, o efeito Joule, os geradores de corrente contínua e as associações de resistências em série e em paralelo. É um tema que, mesmo sendo dos menos frequentes, tem saído sempre em exame. Costuma misturar fórmulas de várias partes do tema no mesmo exercício.

1. Corrente elétrica, tensão e resistência

Corrente elétrica ($I$): mede a carga que atravessa uma secção reta do condutor por unidade de tempo. A unidade SI é o ampere (A), e mede-se com um amperímetro.

Diferença de potencial elétrico, ou tensão ($U$): mede a energia transferida por unidade de carga entre dois pontos do circuito, ou seja, o trabalho realizado pela força elétrica para deslocar uma carga entre esses pontos. A unidade SI é o volt (V), e mede-se com um voltímetro.

Resistência elétrica ($R$): mede a oposição de um componente à passagem da corrente. A unidade SI é o ohm ($\Omega$), e mede-se diretamente com um ohmímetro.

A resistência de um fio condutor depende do material, do comprimento $\ell$, da área da secção $A$ e da temperatura. Mantendo o material, aumenta com o comprimento e diminui com a área da secção:

onde $\rho$ é a resistividade, característica do material.

2. Lei de Ohm

Nem todos os componentes são óhmicos. Numa lâmpada de filamento, a resistência aumenta quando a corrente aumenta, porque o filamento aquece. O gráfico $U(I)$ já não é uma reta. Num díodo, a corrente só passa de forma apreciável num sentido (polarização direta) e é praticamente nula no sentido contrário (polarização inversa). Nestes componentes, a razão $U/I$ varia de ponto para ponto, e por isso diz-se que são não óhmicos.

3. Efeito Joule

Quando as cargas se movem num condutor, parte da energia que recebem aumenta a agitação das partículas do material e aquece-o. A este aquecimento chama-se efeito Joule.

Para a mesma corrente, uma resistência maior dissipa mais potência. Para a mesma tensão, é a resistência menor que dissipa mais.

4. Geradores de corrente contínua

Um gerador transforma outras formas de energia em energia elétrica. Tem uma força eletromotriz $\varepsilon$ (a energia fornecida por unidade de carga) e uma resistência interna $r$. A tensão nos seus terminais é:

A $\varepsilon$ é o valor da tensão nos terminais quando não passa corrente ($I = 0$). Por isso, mede-se diretamente abrindo o circuito, com o interruptor aberto, e ligando o voltímetro aos terminais do gerador: $U = \varepsilon$.

O gráfico $U(I)$ é uma reta decrescente. Comparando com $y = m\,x + b$:

• a ordenada na origem é $\varepsilon$;
• o declive é $-r$ (a resistência interna é o módulo do declive).

Em cada intervalo de tempo $\Delta t$, a energia fornecida pelo gerador reparte-se entre energia útil e energia dissipada na resistência interna:

Dividindo por $\Delta t$, tens as potências: $P_{\text{fornecida}} = \varepsilon\,I$, $P_{\text{útil}} = U\,I$ e $P_{\text{dissipada}} = r\,I^2$. O rendimento do gerador é $\eta = U/\varepsilon$.

5. Associações de resistências

Antes de calcular, identifica o tipo de associação. É o primeiro passo de qualquer exercício.

Em série, a resistência equivalente é maior do que qualquer uma das resistências. Em paralelo, é menor.

Praticar com exames

Os exercícios de exame deste tema têm a resolução passo a passo. Começa sempre por identificar o tipo de associação e por escrever o que o enunciado dá, antes de procurares uma fórmula.