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AULA 2A CIRCUITOS EM CORRENTE CONTÍNUA RESISTÊNCIA ELÉTRICA1 - LEIS DE OHM – EFEITO JOULE A resistência elétrica é definida como a capacidade que um corpo tem de opor-se à passagem da corrente elétrica. A unidade de medida da resistência no SI é o Ohm (Ω), em homenagem ao físico alemão George Simon Ohm, e representa a razão volt/Ampére. Quando um condutor é submetido a uma diferença de potencial, ele passa a ser percorrido por uma corrente elétrica, que é constituída pelo movimento de elétrons livres no interior do condutor. Quando esses elétrons livres entram em movimento, começam a colidir entre si e com os átomos do condutor. Quanto maior o número de colisões, maior a dificuldade encontrada pela corrente elétrica em “atravessar” o condutor. Essa dificuldade de movimento das cargas é que caracteriza a resistência elétrica. A resistência elétrica varia conforme o comprimento, a largura e a natureza do material do condutor, além da temperatura a que ele é submetido. Todos esses fatores são relacionados por uma equação conhecida como Segunda Lei de Ohm: Sendo que: R – é a resistência elétrica do material (ohm); ρ – é a resistividade e possui valores diferentes para cada tipo de material (ohm/m) Material (metais, ligas metálicas, semicondutores e isolantes): Símbolo químico: Número atômico: Peso específico em grama por cm³: Ponto de fusão em °C: Resistividade em ohms x mm² / m a 20°C: Alumínio (99,9%) Al 13 2,580 657 0,0284 Cobre eletrolítico Cu 29 9,050 1080 0,0167 l – é o comprimento do condutor (m) A – é área de seção transversal do condutor (m²) 1 TEIXEIRA, Mariane Mendes. "O que é resistência elétrica?"; Brasil Escola. Disponível em <http://brasilescola.uol.com.br/o-que- e/fisica/o-que-e-resistencia-eletrica.htm>. Acesso em 23 de julho de 2017. A lxR ρ= De acordo com a equação, vemos que a resistência é diretamente proporcional ao comprimento l do condutor, ou seja, quanto maior o comprimento, maior será a resistência. Ela também é inversamente proporcional à área do condutor, pois, quanto maior a área, mais fácil é a passagem dos elétrons e, consequentemente, menor a resistência do material. Primeira Lei de Ohm A resistência elétrica também pode sofrer variação conforme a variação da tensão e da corrente elétrica de um condutor. Isso ocorre porque, quanto maior a intensidade da corrente elétrica (i), menor a dificuldade que os portadores de carga enfrentam para movimentar-se, ou seja, menor a resistência. A diferença de potencial V entre as extremidades de um condutor é proporcional à corrente que o atravessa. A resistência é a constante de proporcionalidade entre eles e pode ser definida a partir da Primeira Lei de Ohm como: Essa Lei só é válida para materiais que possuem resistência elétrica constante, conhecidos como resistores ôhmicos. i vR = EXERCÍCOS SOBRE A 1ª LEI DE OHM 1. Um resistor de 100 Ω é percorrido por uma corrente elétrica de 20 mA. A ddp entre os terminais do resistor, em volts, é igual a: a) 2,0 b) 5,0 c) 2,0 . 10 d) 2,0 . 103 e) 5,0 . 103 SOLUÇÃO V = R x i V = 100 x 20 x 10-3 V = 2000 x 10-3 V = 2,0 V 2. Um resistor ôhmico, quando submetido a uma d.d.p. de 40 V, é atravessado por uma corrente elétrica de intensidade 20 A. Quando a corrente que o atravessa for igual a 4 A, a d.d.p, em volts, nos seus terminais, será: a) 8 b) 12 c) 16 d) 20 e) 30 SOLUÇÃO Inicialmente, encontra-se o valor da resistência: R = V i R = 40 = 2Ω 20 V = R x i = 2 x 4 V = 8 V 3. Ao ser estabelecida uma d.d.p de 50 V entre os terminais de um resistor, estabelece-se uma corrente elétrica de 5A. Qual a resistência entre os terminais? SOLUÇÃO A corrente i é inicialmente descrita por: i = V r A ddp passa a ser 2V e a resistência 3R. Portanto: i' = 2V OU 3R i' = 2 i 3 4. Os valores nominais de uma lâmpada incandescente, usada em uma lanterna, são: 6,0 V; 20 mA. Isso significa que a resistência elétrica do seu filamento é de: a) 150 Ω, sempre, com a lâmpada acesa ou apagada. b) 300 Ω, sempre, com a lâmpada acesa ou apagada. c) 300 Ω com a lâmpada acesa e tem um valor bem maior quando apagada. d) 300 Ω com a lâmpada acesa e tem um valor bem menor quando apagada. e) 600 Ω com a lâmpada acesa e tem um valor bem maior quando apagada. SOLUÇÃO Aplicando a relação V = R.i, temos: 6 = R . 20 x 10 – 3 R = 6 ÷ 20 x 10 – 3 R = 300 Ω A resistência é variável com o aumento de temperatura. Sendo assim, como a temperatura do filamento é bem menor quando a lâmpada está apagada, a resistência também é menor. LETRA “D” 5. A figura abaixo mostra um resistor R de 40 Ω entre os pontos P e Q. As correntes i1 e i2 unem-se no ponto P e passam pelo resistor R. Sabendo que a diferença de potencial entre os pontos P e Q é de 200 V e que a intensidade da corrente i1 excede em uma unidade o triplo da intensidade da corrente i2, determine o valor das correntes elétricas i1 e i2, respectivamente. a) 1,6 e 0,2 b) 7 e 2 c) 4 e 1 d) 2,5 e 0,5 e) 3,4 e 0,8 SOLUÇÃO Aplicando a equação U V R . i entre os pontos P e Q, teremos: V = R. (i1 + i2) 200 = 40. (i1 + i2) ; (i1 + i2) = 200/40 ; (i1 + i2) = 5 A A corrente i1 excede em uma unidade o triplo da corrente i2: i1 = 3.i2 + 1 Logo, i1 + i2 = 5 A ; (3.i2 + 1) + i2 = 5 ; 4.i2 + 1 = 5 ; 4.i2 = 4 ; i2 = 1 A Então, i1 = 3.i2 + 1 ; i1 = 3.1 + 1 ; i1 = 4 A LETRA “C” 6. Determine a corrente elétrica que flui por um resistor de 1 kΩ quando ele é submetido a uma d.d.p de 200 V. a) 0,5 A b) 2 dA c) 4 A d) 0,02 A e) 1 A SOLUÇÃO LETRA “B” Sabendo que 1 kΩ = 1000 Ω, Temos: V = R x i ; 200 = 1000 x i ; i = 200/1000 ; i = 0,2 A = 2,0 x 10-1 A Como o prefixo multiplicativo “deci” equivale a 10 – 1, temos: i = 2 dA 7. Um resistor ôhmico, quando submetido a uma ddp de 40 V, é atravessado por uma corrente elétrica de intensidade 20 A. Quando a corrente que o atravessa for igual a 4 A, a ddp, em volts, nos seus terminais, será: a) 8 b) 12 c) 16 d) 20 e) 30 SOLUÇÃO Inicialmente, encontra-se o valor da resistência: R = V i R = 40 20 R = 2Ω V = R x i = 2 x 4 = 8 V = 8 V 8. Ao ser estabelecida uma ddp de 50V entre os terminais de um resistor, estabelece-se uma corrente elétrica de 5A. Qual a resistência entre os terminais? SOLUÇÃO R = V i R = 50 = 10 5 R = 10 Ω 9. Um resistor de resistência R, ao ser submetido a uma ddp U, passa a ser percorrido por uma corrente i. O valor da corrente elétrica, se a ddp for o dobro do valor inicial e a resistência for substituída por outra de valor 3R, é: a) 6i b) 3i/2 c) 2i/3 d) i/6 e) 5i SOLUÇÃO A corrente i é inicialmente descrita por: i = V r A ddp passa a ser 2V, e a resistência, 3R. Portanto: i' = 2V 3R i' = 2 i 3 Alternativa “C” 10. Se um forno de 240 V possui um elemento de resistência de 24Ω, qual o menor valor de corrente do fusível que deve ser usado na linha para proteger o elemento aquecedor? SOLUÇÃO: i = V = 240= 10 ; R 24 i = 10 A 11. Qual a resistência de um ferro de solda que solicita uma corrente de 10,0 A / 120 V ? SOLUÇÃO: R = V = 120= 12 ; R = 12 Ωi 10 12. Uma torradeira com resistência de 8,27 Ω opera com uma corrente de 13,9 A. Encontre a tensão aplicada? SOLUÇÃO: V = R x i = 8,27 x 13,9 = 114,953 ; R = 114,953 V 13. Qual a resistência interna de uma secadora de roupas 127 V, que solicita uma corrente de 23,3 A? SOLUÇÃO: R = V = 127= 5,45 ; R = 5,45 Ω i 23,3 14. Num resistor de 2,0 Ω, a intensidade da corrente elétrica é 2,0 A. Qual é a tensão aplicada? SOLUÇÃO: V = R x i = 2,0 x 2,0 = 4,0 ; R = 4 V 15. Um resistor está na tensão de 9 V, e nele passa uma corrente de 2,25 A. Determine qual é a resistência deste resistor. SOLUÇÃO R = V = . 9 = 4 ; R = 4 Ω i 2,25 16. Se um voltímetro possui uma resistência interna de 500kΩ, encontre a corrente que circula por ele quando o mesmo indica 86 V. SOLUÇÃO i = V = . 86 = 0,172 ; R = 172 µA R 500X103 17. Se um amperímetro possui uma resistência interna 2mΩ, encontre a tensão sobre ele quando uma corrente de 10 A esta sendo indicada? SOLUÇÃO V = R x i = 2,0 X 10 -3 x 10,0 = 20 X 10-3 ; R = 20 mV 18. Um alarme eletrônico antirroubo para automóveis funciona com uma tensão de 12 V. Sabendo-se que, enquanto o alarme não é disparado, sua resistência é de 400Ω, calcule a corrente que circula no aparelho. SOLUÇÃO i = V = 12 = 0,03 ; R = 30 mA R 400 19. Um toca-fitas de automóvel exige 0,6 A da bateria. Sabendo-se que, nesta condição, sua resistência interna é de 10Ω, determinar pela Lei de Ohm se o automóvel tem bateria de 6V ou 12V. SOLUÇÃO V = R x i = 10,0 x 0,6 = 6 ; R = 6 V "Quando você abordar um problema difícil, faça dele um esquema interessante. Então poderá concentrar-se nesse interessante esquema e superar a tarefa angustiante que esse problema implica." - Erickson Segunda Lei de Ohm A Segunda Lei de Ohm estabelece que a resistência elétrica de um material é diretamente proporcional ao seu comprimento, inversamente proporcional à sua área de secção transversal. Além disso, ela depende do material do qual é constituído. É representada pela seguinte fórmula: Onde: R: resistência (Ω) ρ: resistividade do condutor (depende do material e de sua temperatura, medida em Ω.m) Material (metais, ligas metálicas, semicondutores e isolantes): Símbolo químico: Número atômico: Peso específico em grama por cm³: Ponto de fusão em °C: Resistividade em ohms x mm² / m a 20°C: Alumínio (99,9%) Al 13 2,580 657 0,0284 Cobre eletrolítico Cu 29 9,050 1080 0,0167 L: comprimento (m) A: área de secção transversal (mm2) EXERCÍCIOS SOBRE A 2ª LEI DE OHM 1. Você constrói três resistências elétricas, RA, RB e RC, com fios de mesmo comprimento e com as seguintes características: I. O fio de RA tem resistividade 1,0·10–6 Ω·m e diâmetro de 0,50 mm. II. O fio de RB tem resistividade 1,2·10–6 Ω·m e diâmetro de 0,50 mm. III. O fio de RC tem resistividade 1,5·10–6 Ω·m e diâmetro de 0,40 mm. Pode-se afirmar que: a) RA > RB > RC. b) RB > RA > RC. c) RB > RC > RA. d) RC > RA > RB. e) RC > RB > RA. SOLUÇÃO De acordo com a equação da segunda lei de Ohm, que determina a resistência dos materiais a partir de suas dimensões, vemos que a resistência é inversamente proporcional à área de secção transversal do fio e diretamente proporcional à resistividade e ao comprimento do fio. Sendo assim, sabendo que os comprimentos são os mesmos para os três fios, temos: O fio que possuir maior diâmetro necessariamente possuirá maior área de secção transversal e, portanto, terá a menor resistência. Nesse aspecto, os fios RA e RB possuirão menor resistência e o fio RC, por ter menor diâmetro, será o de maior resistência. Como a resistividade é diretamente proporcional à resistência, entre os fios RA e RB, aquele que possuir maior resistividade terá maior resistência. Nesse aspecto, o fio RB possui maior resistência que RA. Sendo assim, temos que: RC > RB > RA LETRA “E” 2. Um fio A, tem resistência elétrica igual a duas vezes a resistência elétrica de outro fio B. Sabe-se que o fio A tem o dobro do comprimento do fio B e sua secção transversal tem raio igual à metade do raio da secção transversal do fio B.A relação ρA / ρB entre a resistividade do material do fio A e a resistividade do material do fio B é: a) 0,25 b) 0,50 c) 0,75 d) 1,25 e) 1,50 SOLUÇÃO Podemos escrever a segunda lei de ohm para os dois fios como: Sabendo que a resistência A é o dobro da resistência B, temos: Sabendo que a área da circunferência é dada por π.R2 e que o raio do fio B é o dobro do raio do fio A, temos: LETRA “A” 3. Dois fios A e B são tais que o comprimento do fio B é o dobro do comprimento do fio A e a área de secção do fio A é 8 vezes menor que a do fio B. Sendo os fios feitos do mesmo material, determine a razão entre a resistência do fio B e a do fio A. a) ½ b) ⅛ c) ¼ d) ⅞ e) 1 SOLUÇÃO A partir da segunda lei de Ohm, temos: Substituindo as proporções dadas pela questão, temos: LETRA “C” 4. Um cabo feito de liga de cobre possui área de secção transversal correspondente a 10 mm2. Sabendo que a resistividade da liga de cobre é de 2,1 x 10-2 Ω .mm2/m, determine a resistência para 5 m desse fio. a) 1,05 X 102 b) 2,05 X 10- 2 c) 1,05 X 10-2 d) 1,05 X 102 e) 1,05 X 102 SOLUÇÃO A partir da segunda lei de Ohm e substituindo os valores, temos: LETRA “C” 5. Dois resistores, de resistências elétricas R1 e R2, são formados por fios metálicos, de mesmo comprimento e mesmo diâmetro, e são constituídos de materiais cujas resistividades são ρ1 e ρ2 respectivamente. Quando esses resistores são associados em paralelo e submetidos a uma bateria de tensão elétrica U, a corrente que passa pelo fio de resistência elétrica R2 é o dobro da que passa por R1. Nessas condições, a relação entre as resistividades dos materiais é a) ρ1 = ρ2 b) ρ2 = 2. ρ1 c) ρ1 = 2. ρ2 d) ρ1 = 4. ρ2 e) ρ2 = 4. ρ1 SOLUÇÃO Na associação em paralelo, os resistores apresentam a mesma diferença de potencial, mas correntes elétricas diferentes. Estabelecendo a relação entre as correntes elétricas que fluem pelos resistores, temos que i2 = 2.i1, assim, utilizando as leis de ohm, podemos determinar a relação entre as resistividades. Letra C. 6. No circuito esquematizado abaixo, R1 e R2 são resistores com a mesma resistividade ρ. R1 tem comprimento 2L e seção transversal A, e R2 tem comprimento L e seção transversal 2A. Nessa situação, a corrente elétrica que percorre o circuito é a) 2AV/(5 ρ L). b) 2AV/(3 ρ L). c) AV/(ρ L). d) 3AV/(2 ρ L). e) 5AV/(2 ρ L). SOLUÇÃO Como os resistores estão associados em série, a resistência equivalente é a soma das resistências individuais. Sendo assim, ao aplicar a segunda lei de Ohm para cada resistor e somar os resultados, teremos: De posse da resistência equivalente, pode-se aplicar a primeira lei de Ohm e determinar a corrente que passa pelo circuito. LETRA “A” 7. Um resistor de resistividade ρ tem comprimento L e área de secção transversal igual a A. Qual será o valor da nova resistência desse resistor caso seu comprimento seja duplicado e sua área seja quadruplicada? a) A nova resistência é o dobro da anterior. b) A nova resistência é quatro vezes menor que a anterior. c) A nova resistência é a metade da anterior. d) A nova resistência é oito vezes menor que a anterior.e) Não haverá mudança no valor da resistência. SOLUÇÃO A resistência é diretamente proporcional ao comprimento e inversamente proporcional à área de secção transversal. Sendo assim, a primeira resistência é igual a: A segunda resistência, após as alterações de comprimento e área, é: A nova resistência (R') é a metade da primeira resistência oferecida pelo material (R). LETRA “C” 8. Julgue as afirmações a seguir sobre a segunda lei de Ohm. I) A resistência é inversamente proporcional à área de secção transversal do material; II) A resistência é diretamente proporcional ao comprimento do material; III) A unidade de medida da resistividade é o ohm por metro (Ω/m); IV) A resistividade é uma grandeza adimensional. Marque a alternativa que indica somente as afirmações verdadeiras. a) I e II b) II e III c) Apenas IV d) I e IV e) III e IV SOLUÇÃO I – Verdadeiro. II – Verdadeiro. III – Falso. A unidade de medida da resistividade é o ohm vezes metro (Ω.m). IV – Falso. A resistividade possui a unidade de medida Ω.m, logo, não é uma grandeza adimensional. LETRA “A”
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