Lei de Joule

Lâmpada de filamento de carbono, aquecido pela passagem de corrente elétrica (efeito Joule).

A lei de Joule (também conhecida como efeito Joule ou efeito térmico) é uma lei física que expressa a relação entre o calor gerado e a corrente elétrica que percorre um condutor em determinado tempo. Um condutor, é um material nos qual as cargas elétricas se deslocam de maneira relativamente livre. Quando esses materiais são carregados em alguma região pequena, a carga distribui-se prontamente sobre toda a superfície do material. O nome é devido a James Prescott Joule (1818-1889) que estudou o fenômeno em 1840 e, um ano mais tarde, publicada na Philosophical Magazine, pela Royal Society.[1]

Definição

Ela pode ser expressa por:[2]

${\displaystyle Q=I^{2}\cdot R\cdot t}$

onde:

• Q é o calor gerado por uma corrente elétrica percorrendo uma determinada resistência elétrica por determinado tempo;
• I é a corrente elétrica que percorre o condutor com determinada resistência R;
• R é a resistência elétrica do condutor;
• t é a duração ou intervalo de tempo em que a corrente elétrica percorreu ao condutor.

Se a corrente não for constante em relação ao tempo:

${\displaystyle Q=R\int _{t_{1}}^{t_{2}}i^{2}dt\,}$

Termodinâmica

Ver artigo principal: Termodinâmica

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.

Unidade joule

A lei de Joule está relacionada com a definição de joule onde:

• Um joule é o trabalho realizado para transportar um coulomb (unidade de medida da carga elétrica) de um ponto para outro, estando os dois pontos a uma diferença de potencial de um volt (unidade de medida da diferença de potencial);
• O trabalho é dado por:

${\displaystyle \ W=Q.U}$

Onde:

• W é o trabalho elétrico (em joule).;
• Q é a carga (em coulomb);
• U é a diferença de potencial (em volt).

Teoria cinética

A nível molecular o aquecimento acontece por causa da colisão dos elétrons com os átomos do condutor, em que o momento é transferido ao átomo, aumentando a sua energia cinética (ver calor).

Podemos dizer, portanto, que, 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.

Efeito de Joule

A passagem da corrente elétrica num condutor provoca o aumento de temperatura liberando calor.[3] A energia elétrica que se transforma em energia calorífica num receptor ou condutor, é diretamente proporcional à resistência elétrica, ao quadrado da intensidade da corrente que o percorre e ao tempo de passagem da corrente. Esta lei é traduzida matematicamente pela seguinte expressão:[3]

${\displaystyle W=R\cdot I^{2}\cdot t}$

Em que:

• W - é o trabalho ou a energia dissipada por efeito joule (em joules);
• R - é a resistência elétrica (em ohms);
• I - é a intensidade de corrente que percorre o receptor ou condutor (em ampères);
• t - o tempo de passagem da mesma corrente (em segundos).

Vantagens e inconvenientes

Vantagens

A corrente elétrica ao atravessar um condutor, provoca nele um aumento de temperatura. Este efeito é aproveitado em ferros de passar, aquecedores, soldadores elétricos, secador de mãos, fogões, fornos, iluminação, proteção de instalações elétricas (fusíveis e disjuntores), etc.[3]

Inconvenientes

Em grande parte de aplicações da energia elétrica, a produção de calor correspondente a perdas e em algumas situações pode originar danos mais ou menos graves, nomeadamente quando se verifica um curto-circuito ou maus contatos. Daí há necessidade de utilizar condutores devidamente calibrados para a corrente que vão suportar, bem como prever as proteções e isolamentos convenientes.[4]

Potência dissipada

Nos resistores elétricos pode-se calcular a potência dissipada utilizando a Lei de Joule:

${\displaystyle P=Q/t=I^{2}\cdot R}$

Aplicações

• Nas diferentes tensões no transporte da energia elétrica.

É, principalmente, por causa do efeito Joule que a energia elétrica é transportada em longas distâncias em tensões mais altas, normalmente 13 800 V das subestações até os transformadores de rua (distribuição) ou 138 000 V entre subestações (transmissão), podendo admitir também valores superiores ou distintos a depender das distâncias a percorrer das linhas de transmissão ou distribuição. O fornecimento padrão urbano é de 220 V bifásico ou trifásico ou de 127 V monofásico; também sendo possível o fornecimento por parte da concessionária de outros valores de tensão de acordo com o tipo de consumidor (127 V - 220 V - 380 V - 440 V - 760 V - 4 160 V - 13 800 V... etc.). Já em zonas rurais a distribuição normalmente se dá por redes monofásicas de alta tensão. A maior tensão permite que a corrente seja menor (para uma mesma potência , ${\displaystyle P=U\cdot I}$ ) e assim menos energia desperdiçada no efeito Joule (o outro motivo é o uso de cabos mais finos em secção reta com a economia do material condutor e estrutura de sustentação).

• Em aquecedores, lâmpadas e fusíveis é a lei de joule (juntamente com outras de transferência de calor) que permite calcular as dimensões adequadas para o correto funcionamento destes dispositivos.
• O efeito Joule é o princípio da soldagem por resistência, que aquece um ponto entre duas chapas até o ponto de fusão dos metais através de uma corrente elétrica.

Ver também

• Efeito Peltier
• Efeito Seebeck
• Termopar
• Força eletromotriz de Thomson

Referências

1. Vaz Guedes, Manuel. «A Lei de Joule» (PDF). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Consultado em 11 de outubro de 2013 
2. Cavalcante, Kleber G. «Lei de Joule». Terra. Mundo Educação. Consultado em 11 de outubro de 2013 
3. Roldan, J. «Efeito Joule». Eletricidade Eletrônica. Lisboa: Plátano Editora 
4. Matias, J.V.C. Tecnologias de Eletricidade. 10° Ano. Lisboa: Didática Editora 

• Portal da física

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