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Jorge Castilho Cabrita, Engenheiro Electrotécnico (IST)/ Professor do Ensino Secundário
lições
LIÇÕES DE ELECTRICIDADE
{CAPITULO II · corrente contínua Jorge Castilho Cabrita, Engenheiro Electrotécnico (IST)/ Professor do Ensino Secundário
SEXTA PARTE
Energia eléctrica: efeitos da corrente eléctrica . Termoelectricidade - 1ª parte: Lei de Joule . Densidade de corrente
O artigo de hoje consta de duas partes. Na primeira referem-se diversos efeitos da corrente eléctrica resultantes da transformação da energia eléctrica noutras formas de energia, assim como das transformações inversas de energia e uma descrição das relações da Electricidade com outras áreas. Na segunda parte inicia-se um subcapítulo sobre Termoelectricidade, desta vez dedicado ao estudo da Lei de Joule, definição da densidade de corrente, novas unidades eléctricas, conceito de sobreintensidade. A Termoelectricidade será continuada noutro artigo com os conceitos de sobrecarga, curto-circuito, assim como o funcionamento de corta-circuitos fusíveis e relés térmicos, aplicações e inconvenientes do efeito de Joule. Em seguida será feito o estudo dos efeitos Seebeck, Peltier e Thomson e as suas aplicações, nomeadamente, os pares termoeléctricos.
20› EFEITOS DA CORRENTE ELÉCTRICA. TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA Define-se energia como a capacidade de produzir trabalho. A energia manifesta-se sob diversas formas, uma das quais é a eléctrica. As aplicações desta dependem dos efeitos que a corrente eléctrica é capaz de produzir. Estes efeitos consistem na transformação da energia eléctrica noutra forma de energia. Nesta fase do nosso estudo vamos referir os efeitos mais correntes : térmico, luminoso, químico, electromagnético e mecânico. Ao mesmo tempo, analisamos as relações da Electricidade com outras áreas. Calor› A passagem de uma corrente eléctrica através dum condutor produz uma agitação térmica interna que se reflecte na transformação da energia eléctrica, comunicada através da corrente, em energia térmica, devida aos choques entre electrões e átomos
Esta energia térmica manifesta-se naturalmente pela elevação da temperatura do corpo que faz aumentar a temperatura ambiente na sua proximidade. Este efeito é aproveitado em variadas aplicações relacionadas com aquecimento, tais como irradiadores ou fogões, por exemplo. Esta transformação de energia é conhecida por efeito de Joule1 (lê-se "djúle"). Este efeito não é, no entanto, a única forma de transformar electricidade em calor. Também o efeito Peltier o permite. A transformação inversa, de energia térmica em eléctrica, também é possível (efeito Seebeck). O efeito piroeléctrico, por seu lado, consiste na mudança de polarização devida a uma mudança de temperatura. Componentes diversos estão incluídos nesta área, como os fusíveis, lâminas bimetálicas, termopares, geradores e arrefecedores termoeléctricos, resistências sensíveis à temperatura (RTD, termistores NTC e PTC). Estes fenómenos e componentes são estudados em Termo-electricidade.
Óptica› A corrente eléctrica pode também originar a transformação de energia eléctrica em energia radiante (visível ou não). Este efeito observa-se nas lâmpadas de incandescência, em que o aquecimento do filamento da lâmpada é acompanhado da emissão de radiação luminosa visível (incandescência). Também nas lâmpadas fluorescentes há transformação de energia eléctrica em radiante, mas por um processo diferente e mais complicado. A Luminotecnia estuda a tecnologia dos aparelhos que produzem energia radiante para iluminação, assim como as técnicas inerentes à sua adequada utilização para obter as condições de iluminação desejadas. A transformação inversa, de energia radiante em eléctrica, também é possível, como o atestam as células fotovoltaicas, tema da Fotoelectricidade. Chama-se Optoelectrónica o ramo da electrónica em que se estuda, entre outros, o funcionamento e aplicações dos componentes electrónicos capazes de transformar energia eléctrica
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caso dum condutor, a intensidade nominal é a intensidade de corrente máxima admissível. Há dois tipos de sobreintensidades: as sobrecargas e os curto-circuitos.
exercícios SOLUÇÃO (Resolução dos exercício propostos no número anterior)
1
Ver rubrica “Notas biográficas”: Joule
EXERCÍCIO 12
2 Para ser mais preciso, o aumento de temperatura de 1 ºC a que
se refere a definição de caloria, corresponde ao aumento da temperatura da água de 14,5 ºC para 15,5 ºC. Esta circunstância
EXERCÍCIO 13
deve-se ao facto de que a energia necessária para aumentar em 1º C a temperatura da água não é um valor constante, dependendo do valor desta temperatura. A energia necessária para o aumento de temperatura atrás referido é 4,1858 Joule, quanti-
EXERCÍCIO 14
EXERCÍCIO 15
dade chamada de 15ª caloria.
3
A energia térmica Q (caloria) necessária para aumentar a tem-
peratura de uma massa m (grama) de um corpo em ³t (grau Celsius) é dada por Q=cm³t, em que c é o calor específico do corpo. Esta grandeza representa a energia necessária para aumentar em 1º C a temperatura de 1 g do corpo. No caso da água, c = 1 cal g-1 ºC -1. Se m = 100 g, Q = 1 x 100 x 1 = 100 cal. (³ é uma letra grega maiúscula; lê-se “délta”)
4
Alma condutora de um condutor isolado é o elemento desti-
nado à condução da corrente eléctrica.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS (Solução no próximo número)
EXERCÍCIO 16 Quantos litros de água a 16 ºC é possível levar à ebulição com uma resistência de 50 alimentada por uma rede com tensão de 220 V durante 10 minutos? EXERCÍCIO 17 Calcular a energia dissipada numa resistência de 50 10 minutos.
sob uma tensão de 220 V durante
EXERCÍCIO 18 Calcular a densidade de corrente máxima admissível num condutor do tipo V, com 1,5 mm2 de secção, à temperatura ambiente de 20º C, instalado ao ar, se a distância do condutor a outro for inferior ao seu diâmetro exterior, sabendo que, nestas condições, a intensidade máxima de corrente admissível é 22 A. Comparar o valor determinado nestas condições, com o valor determinado nas condições indicadas no texto no ponto 22.1. EXERCÍCIO 19 A densidade máxima de corrente em condutores de tipo V de 1,5 mm2 de secção, enfiados no mesmo tubo (até 3 condutores) é 11,(3) A, à temperatura de 20 ºC. Determinar a intensidade máxima de corrente admissível em cada condutor. Comparar o valor determinado nestas condições, com o valor indicado nas condições do exercício 18.