(RESPOSTAS)-TRABALHO DE FÍSICA -3º ANO - PROF. CASSIMIRO

TRABALHO DE FÍSICA – SEGUNDO BIMESTRE – 3º ANO

(RESPOSTAS)

NOME: ____________________________________________ Nº: ____ TURMA: ______

NOME: ___________________________________________ Nº: ____ TURMA: ______

Leia e estude atentamente a matéria do capítulo 4 (páginas 178 a 200), pois esta será cobrada na prova. O Trabalho deverá ter perguntas e respostas alternadas. As perguntas podem ser impressas. As respostas devem ser manuscritas. DEVE SER ENTREGUE NO DIA 05/07/2017. O representante de turma recolherá os trabalhos e entregará ao professor.

TODOS OS EXERCÍCIOS QUE ENVOLVAM CÁLCULOS DEVEM EXPLICITÁ-LOS OU A QUESTÃO SERÁ ANULADA. Valor: 06 (SEIS) PONTOS.

A CAPA DO TRABALHO DEVERÁ SER DIGITADA E O NOME DA DUPLA DEVERÁ ESTAR IMPRESSA NA CAPA CONTENDO NÚMERO E TURMA. NOMES COLOCADOS DE ÚLTIMA HORA À CANETA NÃO SERÃO CONSIDERADOS.

Fontes para você consultar e se preparar:

a) Livro “Quanta Física, volume 3, Kantor et all, Ed. parsons (pp. 178 a 200)

b) Eletricidade Básica (IFSP): https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/4/47/ApostilaEB2.pdf

PRIMEIRA PARTE

FISICA CONCEITUAL

1) Se uma corrente flui de um objeto para outro, o que podemos dizer acerca dos valores relativos dos potenciais elétricos dos dois objetos. Justifique sua resposta.

Para começar dizemos que Potencial elétrico é a capacidade que um corpo energizado tem de realizar trabalho, ou seja, atrair ou repelir outras cargas elétricas. Com relação a um campo elétrico, interessa-nos a capacidade de realizar trabalho, associada ao campo em si, independentemente do valor da carga q colocada num ponto desse campo. Para medir essa capacidade, utiliza-se a grandeza potencial elétrico.

Se dois potenciais conectados são iguais (V_A = V_B), a diferença entre estes dois potenciais é ZERO e não haverá corrente elétrica fluindo entre eles. Por outro lado, se VA ≠ VB, então a diferença entre os potenciais não é nula (V_AB = V_A – V_B), assim haverá corrente fluindo de um objeto para outro.

Podemos dizer que a Diferença de Potencial é a diferença no potencial elétrico em dois pontos, medida em volts. Ela é análogo à diferença da pressão da água em dois recipientes: quando conectados por um cano, a água flui do recipiente onde a pressão é mais alta para aquele de pressão mais baixa – até que as duas pressões se igualem. Analogamente, quando dois pontos com potenciais elétricos diferentes são ligados por um condutor, a carga flui enquanto existir uma diferença de potencial entre os pontos.

2) Seu professor particular lhe diz que um ampere e um volt medem realmente a mesma coisa, e que os diferentes termos servem apenas para tornar confuso um conceito que é simples. Por que você deveria pensar em conseguir outro professor?

Existe frequentemente alguma confusão entre o fluxo de carga através de um circuito (medida em ampères) e a voltagem imprimida, ou aplicada através do circuito (medida em volts). Podemos distinguir entre essas duas ideias considerando um tubo comprido cheio de água. A água fluirá através do tubo se existir uma diferença de pressão através deste, ou seja, entre suas extremidades. A água flui da extremidade onde é alta a pressão para aquela onde a pressão é baixa. Apenas a água flui não a pressão. Analogamente, a carga elétrica flui através de um circuito. A voltagem não vai a lugar algum, pois são as cargas que se movimentam. A voltagem produz a corrente (se existe um circuito completo).

3) Apenas uma pequena percentagem da energia elétrica fornecida a uma lâmpada incandescente comum é convertida em luz. O que acontece ao restante?

Não existe material ou produto na natureza que possua uma eficiência de 100%. Somente parte da energia fornecida a uma lâmpada é aproveitada para seu fim principal, isto é, ser transformada em energia luminosa. Parte significativa da energia é transformada em calor. Quando uma corrente elétrica atravessa um material condutor, há produção de calor. Essa produção de calor é devida ao trabalho realizado para transportar as cargas através do material em determinado tempo. Quando o elétron colide com os átomos, fazem com que os núcleos vibrem com maior intensidade. O grau de agitação molecular é chamado de temperatura, ou seja, quando os elétrons colidem, aumentam a energia cinética dos átomos, sua temperatura.

4) Que grandeza é medida por (a) joule por coulomb, (b) coulomb por segundo, (c) watt.segundo?

O trabalho (medido em joules) realizado sobre uma carga q (medido em coulomb) é a diferença de potencial ou voltagem, está é medida em volts. Assim:

1 V = 1 J/C (volt)

A taxa de fluxo elétrico, isto é a corrente elétrica, é medida em ampère. Um ampère é uma taxa de fluxo igual a 1 coulomb (medida de carga elétrica) por segundo (medida de unidade de tempo. Assim:

1 A = 1 C/s (ampère)

Podemos dizer que energia fornecida durante um segundo por uma fonte inalterável de potência igual a um watt. Esta energia equivale a um joule (1J). Assim:

1J = 1 W.s (joule)

5) Para conectar um par de resistores de modo que sua resistência equivalente seja maior do que a resistência de cada um deles individualmente, você deveria liga-los em série ou em paralelo?

Devemos associá-los em série, pois, em uma associação de resistores em série a resistência equivalente é a soma das resistências, isto é,

R = R₁ + R₂

Vejamos o exemplo abaixo:

Se tivermos dois resistores, p. ex., um de 2 ohms e outro de 3 ohms, a resistência equivalente será de 5 ohms.

Aprendendo um pouco mais:

1) A corrente elétrica dispõe de um único caminho através do circuito. Isso significa que a mesma corrente percorre cada um dos dispositivos elétricos do circuito.

2) Essa corrente enfrenta a resistência do primeiro dispositivo, a resistência do segundo e a do terceiro também, de modo que a resistência total do circuito à corrente é a soma das resistências individuais que existem ao longo do circuito.

3) A corrente no circuito é numericamente igual à voltagem fornecida pela fonte dividida pela resistência total do circuito. Isso está de acordo com a lei de Ohm.

4) A lei de Ohm também se aplica individualmente a cada dispositivo. A queda de voltagem, ou diferença de potencial, através de cada um deles, é proporcional à resistência. Isso segue do fato de que mais energia é necessária para movimentar uma unidade de carga através de uma grande resistência do que através de uma pequena resistência.

5) A voltagem total aplicada através de um circuito em série divide-se entre os dispositivos elétricos individuais, de modo que a soma das quedas de voltagem em cada dispositivo é igual à voltagem total que é mantida pela fonte. Isso, porque a quantidade total de energia usada para mover cada unidade de carga pelo circuito todo é igual à soma das energias usadas para mover aquela unidade de carga através de cada dispositivo do circuito.

Agora vejamos um circuito em paralelo:

No circuito acima os dispositivos elétricos que estão conectados aos mesmos dois pontos de um circuito elétrico são ditos estar conectados em paralelo. O caminho para a corrente fluir de um terminal da bateria ao outro estará completo se apenas uma das lâmpadas estiver ligada. Nessa ilustração, os ramos do circuito correspondem aos dois caminhos separados ligando A a B. Uma interrupção em um desses caminhos não interrompe o fluxo de carga através do outro caminho. Cada dispositivo opera independentemente do outro dispositivo. Principais características das conexões em paralelo:

1) Cada dispositivo conecta os mesmos dois pontos A e B do circuito. A voltagem, portanto, é a mesma através de cada dispositivo.

2) A corrente total no circuito se divide entre os vários ramos paralelos. Como a voltagem através de cada ramo é a mesma, sua corrente é inversamente proporcional à resistência do ramo - ou seja, a lei de Ohm se aplica separadamente a cada ramo.

3) A corrente total no circuito é igual à soma das correntes em seus ramos paralelos.

4) Quando o número de ramos paralelos aumenta, a resistência total do circuito diminui. A resistência total diminui a cada caminho adicionado entre dois pontos quaisquer do circuito. Isso significa que a resistência total do circuito é menor do que a resistência de qualquer um de seus ramos. Assim:

!/R = 1/R1 + 1/R2

6) Se os elétrons fluem muito lentamente através de um circuito, então porque  não decorre um tempo perceptível entre o momento em que o interruptor de luz é acionado e a lâmpada começa a brilhar?

Quando ligamos o interruptor de luz da parede e fechamos o circuito, seja ele CA (corrente alternada) ou CC (corrente contínua), a luz começa a brilhar imediatamente no filamento.

Embora na temperatura ambiente os elétrons dentro do metal tenham uma rapidez média de alguns milhões de quilômetros por hora, eles não formam uma corrente, por estarem se movimentando em todas as direções possíveis. Não existe um fluxo líquido em qualquer direção escolhida. Mas quando conectado a uma bateria ou um gerador, estabelece-se um campo elétrico no interior do condutor. Os elétrons continuam seus movimentos aleatórios, enquanto simultaneamente vão sendo empurrados por esse campo. É o campo elétrico que é capaz de se propagar pelo circuito com velocidade próxima à da luz. O fio condutor atua como uma espécie de guia ou tubo para as linhas do campo elétrico.

Aprendendo um pouco mais:

Uma falsa concepção comum acerca da corrente elétrica é a de que ela se propague pelos fios condutores pelos elétrons que vão colidindo uns com os outros – ou seja, que um pulso elétrico se propague pelos fios condutores de maneira análoga a uma pela de dominó que, derrubada, transfere o movimento à fila de peças próximas, colocadas de pé. Isso simplesmente não é verdadeiro. Os elétrons livres para se mover em um condutor são acelerados pelo campo elétrico aplicado sobre eles, e não por causa das colisões que eles têm entre si. Os elétrons que estão ao longo do fio todo reagem simultaneamente ao campo elétrico.

7) Que alteração ocorre na linha da tomada elétrica quando cada vez mais aparelho forem introduzidos em série no circuito? E em paralelo? Por que suas respostas são diferentes?

Em circuito em série a corrente elétrica dispõe de um único caminho a ser percorrido. Se cada vez mais aparelhos são conectados à série tem-se um aumento da resistência elétrica e uma diminuição do valor da corrente elétrica. De acordo com a Lei de Ohm a corrente no circuito é numericamente igual à voltagem fornecida pela fonte dividida pela resistência total do circuito. Assim, se acrescentarmos mais dispositivos i (a corrente) diminui.

Para um circuito em paralelo, quando se liga ou se conecta mais dispositivos ao circuito, mais caminhos existem para a corrente fluir e observa-se uma diminuição da resistência total. A soma dessa corrente é igual à corrente da linha. Como esta corrente aumenta com o acréscimo de dispositivos, seus valores podem ultrapassar limites de segurança e ficarem sobrecarregados. O calor gerado por um circuito sobrecarregado pode dar início a um incêndio.

O que diferenciam os dois circuitos e que faz com que as respostas sejam diferentes é o caminho percorrido pela corrente elétrica em uma associação em série e em uma associação em paralelo. (Veja as respostas do exercício anterior).

SEGUNDA PARTE

FISICA APLICADA

8) A potência indicada pelo fabricante sobre o bulbo de uma lâmpada incandescente não é uma propriedade inerente do filamento, mas depende da voltagem à qual a lâmpada é conectada, geralmente 110 ou 120 V. Quantos amperes fluirão pelo filamento de uma lâmpada de 60 W conectado a um circuito de 120 V.

Como a potência é dada por

P = V.i (voltagem x corrente elétrica)

Então temos que:

I = P/V

Assim:

I = 60W/120V = 0,5 A

9) A carga total que a bateria de um automóvel pode fornecer sem precisar ser recarregada é dada normalmente em termos de ampères-hora. Uma bateria típica de 12 V é classificada como sendo de 60 amperes-hora (60 A por 1h, 30 A por 2h e assim por diante). Suponho que você esqueceu de desligar os faróis de seu carro ao estacioná-lo. Se cada um dos dois faróis funciona com 3 A., quanto tempo decorrerá até que a bateria fique “morta”?

Um ampere-hora, cujo símbolo é Ah, consiste numa unidade prática de carga elétrica e pode ser definida como sendo igual à carga que percorre, durante uma hora, um condutor com intensidade de um ampere.  O ampere-hora pode ser relacionado com outra unidade de carga elétrica que é o coulomb, também designado por ampere-segundo, cujo símbolo é As. Este não é mais do que a quantidade de eletricidade transportada pela corrente elétrica constante de um ampere durante um segundo. A relação entre estas duas unidades é:  1 Ah = 3600 As.

Para este exercício bastar considerar que dois faróis que funcionam com 3 A ligados em paralelo equivalem a um farol de 6 A. Neste caso:

60 A --- 1h

6 A ---   x

Então:

60 A. x = 6 A.h

Logo:

X = 10 horas.

10) Nas embalagens das lâmpadas de LED (diodo emissor de luz) é comum vir sua equivalência com as lâmpadas fluorescentes compactas e com as lâmpadas incandescentes tradicionais.

Ex.: LED 7 W = Fluorescente 15 W = incandescente 60 W.

a) Se em sua casa tivesse 8 lâmpadas incandescentes de 60 W cada que ficassem ligadas, em média, 05 horas por dia, todos os dias, durante o mês de janeiro, qual seria seu consumo médio com iluminação? Quanto custaria para o seu bolso, neste mês, a iluminação residencial considerando que cada quilowatt-hora é tarifado pela CEMIG em R$ 0,79?

Com oito lâmpadas incandescentes ligadas temos

8 x 60 W = 480 W

Como a energia útil é dada por E = P.t, então:

E = 480 Watts x (5 horas/dia x 31 dias) = 74400 W.h

Dividindo por k, isto é, por 1000, temos:

74,4 kWh

Sabendo que cada quilowatt-hora custa R$ 0,79, temos que

Custo = 74,4 kWh x R$ 0,79 = R$ 58,00 (em um mês de 31 dias).

b) Quanto você economizaria se tivesse substituído todas as lâmpadas de sua residência por fluorescentes compactas equivalentes em brilho?

Neste caso teremos com oito lâmpadas fluorescentes:

8 x 15 W = 120 W

Realizando cálculos semelhantes ao anterior:

E = 120 Watts x (5 horas/dia x 31 dias) = 18600 Wh

Novamente dividindo por 1000

E = 18,6 kWh

E multiplicando por R$ 0,79 teremos o custo (sem incluir, é lógico, o ICMS outros impostos e taxas):

Custo = 18,6 kWh x R$ 0,79  = ¨R$ 14,69 (em um mês de 31 dias)

c) E se deseja substituir todas as lâmpadas de sua residência por lâmpadas de LED equivalentes em brilho?

Uma lâmpada de LED de 7 W é equivalente a uma lâmpada incandescente de 60 W, logo:

8 x 7 W = 56 W

Realizando cálculos semelhantes ao anterior teremos:

E = 56 Watts x (5 horas/dia x 31 dias) = 8680 Wh

Novamente dividindo por 1000

E = 8,68 kWh

E multiplicando por R$ 0,79 teremos o custo (sem incluir, é lógico, o ICMS outros impostos e taxas):

Custo = 8,68 kWh x R$ 0,79  = ¨R$ 6,85 (em um mês de 31 dias)

11) Esboce um circuito simples (pilha, fios e lâmpadas), com três lâmpadas associadas em série?

a) Se cada lâmpada possui uma resistência de 3 W, qual o valor da corrente elétrica que flui pelo circuito se as três lâmpadas estão conectadas em série a uma bateria de 9 V?

Como a associação é em série e R1 = R2 = R3 = 3 W, então:

R = R1 + R2 + R3 = 3 W + 3 W + 3 W = 9 W

Sendo assim:

I = V/R = 9V/9 W = 1 A (um ampère)

Um ampère é a corrente que flui no circuito.

b) Se cada lâmpada possui uma resistência de 3 W, qual o valor da corrente elétrica que flui por cada uma as três lâmpadas estão associadas em paralelo a uma bateria de 9 V?

Em uma associação em paralelo a resistência equivalente é dada por:

1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3

Então:

1/R = 1/3W + 1/3W + 1/3W = 3/3W

Desta forma:

R = 3W/3 = 1 W

A corrente elétrica então será:

I = V/R = 9V/1W = 9 A (nove ampères)

São nove ampères que fluem pelo circuito.

12) Sabe-se que em um fio de cobre flui uma corrente elétrica de 6 A quando sujeito a uma voltagem (também chamada diferença de potencial) de 2 V. Sabe-se que a área da seção reta do fio é de 10 mm² (milímetros quadrados). Conhecendo a resistividade r = 1,69 x 10-8 W.m, encontre o comprimento do fio.

Trata-se de um problema simples que utiliza o conceito de resistividade.

A equação para a resistência em um condutor cilíndrico (um fio) é dada por:

R = r x L/A

Onde r é a resistividade do material dada em W.m (ohm.metro), L é o comprimento do fio (em metros) e A é a área da seção reta do fio (em metros quadrados).

Temos que:

r = 1,69 x 10^-8 W.m              A = 10 mm² = 10 x 10^-6 m² = 10^-5 m²

Começemos por encontrar o valor da resistência R.

R = V/i = 2V/6A = 0,33 W

Como R = r.L/A

Então para achar o comprimento do fio fazemos:

L = R x A/r

Assim:

L = 0,33 W x 10^-5 m² / 1,69 x 10^-8 W.m

L = 0,33/1,69 x 10^{-5 – (-8)}  = 0,195 x 10³ = 0,195 x 1000 m

L = 195,00 metros (é o comprimento do fio aproximadamente)

Bom trabalho!

Prof. José Cassimiro, Ana Luiza e Pedro Paulo.