CAPÍTULO

10 Consumo de energia elétrica

Leia as manchetes a seguir.

Professor, professora: Comente com os alunos que ambas as manchetes se referem ao ano de 2022.

EPE

: Empresa de Pesquisa Energética.^↰

ONS

: Operador Nacional do Sistema Elétrico.^↰

Questão 1. Em sua opinião, qual é a importância da situação relatada na segunda manchete para a situação descrita na primeira manchete?

Resposta pessoal. O objetivo desta questão é que os alunos percebam que o aumento do consumo de energia leva à necessidade de aumentar a geração de energia.

Questão 2. Qual é a vantagem do uso de energia como a citada na segunda manchete? Justifique sua resposta.

Resposta nas orientações ao professor.

Questão 3. A energia eólica consiste na transformação da energia mecânica do movimento das hélices de turbinas pelo vento em energia elétrica. Em sua opinião, o que é necessário para que ocorra a transformação da energia mecânica em energia elétrica?

Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levantar os conhecimentos prévios dos alunos a respeito da geração de energia elétrica pelas usinas. Espera-se que eles respondam que é necessário um gerador elétrico mecânico conectado à turbina eólica.

Quando precisamos utilizar um equipamento elétrico, temos de fornecer energia elétrica a ele para que funcione. Para isso, geralmente, inserimos pilhas ou o conectamos à rede de distribuição de energia elétrica por meio de uma tomada.

As pilhas e os geradores conectados à rede elétrica são capazes de transformar um tipo de energia – como a química e a mecânica – em energia elétrica e manter uma corrente elétrica em um circuito, ou seja, eles movimentam as cargas elétricas de maneira organizada em um circuito elétrico. Há diferentes tipos de gerador, como o mecânico, o químico e o fotoelétrico (que utiliza a luz solar).

Vamos estudar a seguir alguns desses geradores.

Os geradores mecânicos transformam energia mecânica em energia elétrica. Entre eles, podemos citar os dínamos e os geradores das usinas elétricas, com exceção das usinas solares, que funcionam com painéis fotovoltaicos.

Os geradores químicos fornecem energia elétrica por meio de reações químicas. É o caso das pilhas e das baterias. O funcionamento desses dispositivos baseia-se na troca de elétrons entre as substâncias.

As baterias de automóvel também são chamadas acumuladores. Elas são constituídas de diversas placas de chumbo $\left(\text{Pb}\right)$ e dióxido de chumbo $\left({\text{PbO}}_2\right)$, imersas em ácido sulfúrico $\left({\text{H}}_2{\text{SO}}_4\right)$.

Fonte de pesquisa: KOTZ, John C. et al. Química geral e reações químicas. Tradução: Noveritis do Brasil. 9. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2015. v. 2. p. 887.

O fornecimento de energia elétrica de um acumulador ocorre por meio de uma reação química do chumbo e do dióxido de chumbo com o ácido sulfúrico.

À medida que ocorre essa reação, a corrente elétrica gerada vai diminuindo. No entanto, se for usada outra fonte para circular uma corrente elétrica nos elementos dos acumuladores, ocorre uma reação química inversa à primeira, restabelecendo os reagentes. Com isso, a bateria pode ser recarregada.

As pilhas comuns que utilizamos atualmente são conhecidas como pilhas secas. Analise a seguir a estrutura interna dessas pilhas.

Fonte de pesquisa: KOTZ, John C. et al. Química geral e reações químicas. Tradução: Noveritis do Brasil. 9. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2015. v. 2. p. 886.

A. As pilhas são constituídas de uma haste de carvão mineral, que é o polo positivo.

B. Essa haste fica mergulhada em uma pasta contendo cloreto de amônio $\left(\text{NH}{}_4\text{C}\mathrm{l}\right)$, cloreto de zinco $\left(\text{ZnC}\mathrm{l}{}_2\right)$ e dióxido de manganês $\left({\text{MnO}}_2\right)$.

C. Essa pasta fica em um recipiente cilíndrico de zinco $\left(\text{Zn}\right)$, que é o polo negativo.

Os componentes da pasta reagem com o carvão e com o zinco, separando as cargas elétricas e gerando energia elétrica.

Professor, professora: Os símbolos dos elementos químicos e as fórmulas químicas das substâncias serão apresentadas na primeira ocorrência, por capítulo.

Com o uso prolongado, as pilhas secas param de fornecer energia e se tornam inutilizáveis. No entanto, atualmente, essas pilhas estão sendo substituídas pelas recarregáveis.

A primeira pilha foi desenvolvida em 1799 pelo físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), quando estava realizando experimentos para investigar o trabalho do físico italiano Luigi Galvani (1737-1798). Este havia descoberto que ocorriam contrações musculares em pernas de rã quando elas entravam em contato com o cobre $\left(\text{Cu}\right)$ e com o ferro $\left(\text{Fe}\right)$ das ferramentas metálicas que utilizava.

Na época, Galvani acreditou que existia uma "força vital" nos organismos vivos, a qual ele chamou de eletricidade vital. Essa crença foi abandonada posteriormente, após resultados de diversos outros estudos.

Com a realização de vários experimentos, Alessandro Volta concluiu que as contrações musculares ocorriam devido à eletricidade que era gerada por meio de reações químicas entre os diferentes metais e as substâncias nos músculos das pernas da rã.

Com essa descoberta, Volta desenvolveu a primeira pilha elétrica, composta de discos de cobre e discos de zinco, separados por tecidos contendo água e sal.

O desenvolvimento da pilha elétrica foi extremamente importante, pois, antes da construção da pilha de Volta, os cientistas não eram capazes de produzir correntes elétricas duradouras em laboratório.

Usinas elétricas

Leia o trecho de reportagem a seguir.

Questão 4. Qual é o problema de o país ser fortemente dependente das usinas hidrelétricas para a geração de energia?

Resposta nas orientações ao professor.

Questão 5. Em sua opinião, como esse problema poderia ser amenizado?

Resposta nas orientações ao professor.

O sistema de distribuição de energia elétrica no Brasil conta com mais de $134.000\text{km}$ de extensão, ligando todas as regiões do país. A energia elétrica distribuída por esse sistema é gerada por diferentes tipos de usina elétrica, como as hidrelétricas, as termelétricas a gás, a carvão e a óleo, as eólicas, as solares e as termonucleares.

Vamos estudar um pouco mais cada uma dessas usinas.

Usina solar

As usinas solares fotovoltaicas transformam a energia luminosa proveniente do Sol em energia elétrica por meio de painéis solares fotovoltaicos. Esses painéis são feitos de materiais semicondutores^✚, como o silício $\left(\text{Si}\right)$.

Glossário

Fonte de pesquisa: PINHO, João Tavares; GALDINO, Marco Antonio (Org.). Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio de Janeiro: CEPEL-CRESESB, 2014. Disponível em: https://oeds.link/2tRiYC. Acesso em: 3 ago. 2022.

Usina hidrelétrica

As usinas hidrelétricas transformam a energia mecânica da água represada em energia elétrica. Leia a seguir, como ocorre essa transformação.

Fonte de pesquisa: TYPES of hydropower plants. Energy.gov. Disponível em: https://oeds.link/5cJbpV. Acesso em: 5 ago. 2022.

As usinas hidrelétricas têm um reservatório de água (1) com ductos de captação de água (2). Além de represar a água, formando o reservatório, a barragem (3) é construída de maneira que ocorra um desnível entre o reservatório e o local onde a água é direcionada para retornar ao rio.

A água do reservatório entra nos ductos de captação e chega até as turbinas (4). Com o desnível, essa água é conduzida pelos ductos com muita pressão, movimentando as turbinas. Em cada uma delas, há um gerador elétrico (5) conectado. O movimento das turbinas pela água gera energia mecânica, que é transformada em energia elétrica pelo gerador elétrico.

Nos transformadores das usinas (6), a tensão elétrica gerada é aumentada para que possa ser transportada até as cidades por meio das redes de distribuição de energia (7). Antes de chegar até residências, hospitais e estabelecimentos comerciais, a tensão elétrica é reduzida por meio de outros tipos de transformadores.

Além das estruturas indicadas na imagem anterior, as usinas hidrelétricas têm os chamados vertedouros. Essa estrutura está presente na barragem e recebe a água excedente do reservatório da usina, e que não foi utilizada para a geração de energia.

Além disso, o vertedouro mantém o nível de água do reservatório dentro do limite previamente estabelecido na construção da usina.

Professor, professora: Ao mencionar o termo vertedouro, peça aos alunos que identifiquem o vertedouro na representação simplificada da usina hidrelétrica.

Usina eólica

As usinas eólicas transformam a energia da movimentação do ar em energia elétrica. Essas usinas são compostas de estruturas chamadas aerogeradores, que são formados por pás com formato aerodinâmico, rotor e torre.

Verifique a seguir como ocorre a geração de energia elétrica nos aerogeradores.

Fonte de pesquisa: PICOLO, Ana Paula; RÜHLER, Alexandre J.; RAMPINELLI, Giuliano A. Uma abordagem sobre a energia eólica como alternativa de ensino de tópicos de física clássica. Revista Brasileira de Ensino de Física, São Paulo, v. 36, n. 4, dez. 2014. Disponível em: https://oeds.link/UbVPoP. Acesso em: 5 ago. 2022.

O ar em movimento, ou seja, o vento, atinge as pás do aerogerador (1), movimentando-as. Essas pás estão conectadas a um rotor (2). Com o movimento delas, o rotor gira, gerando energia mecânica.

A energia mecânica gerada pelo rotor é transmitida ao multiplicador (3). Nele, a velocidade dos giros realizados pelo rotor aumenta e a energia mecânica é então transmitida ao gerador elétrico (4), sendo transformada em energia elétrica.

Ao longo da torre, há uma linha de transmissão (5) que conecta o gerador elétrico ao transmissor (6). A energia elétrica passa por esse transmissor e, então, é destinada às redes de distribuição de energia.

A energia elétrica gerada pelas usinas hidrelétricas, eólicas e solares é considerada limpa, pois sua geração utiliza recursos renováveis e não libera gases poluentes na atmosfera. No Brasil, grande parte da energia elétrica é gerada por usinas que utilizam fonte renovável, principalmente as hidrelétricas.

Apesar das vantagens de usar fontes renováveis para gerar energia elétrica, essas usinas têm algumas desvantagens. Confira a seguir.

• A construção de usinas hidrelétricas provoca alguns impactos ambientais, como a inundação de grandes áreas, causando perda de vegetação e do hábitat de seres vivos, bem como alterações no curso de rios, o que resulta em possíveis impactos na reprodução e na migração de peixes.
• As usinas eólicas têm alto custo de instalação, modificam a paisagem, provocam poluição sonora e, em alguns casos, interferem na vida de animais, como as aves, que colidem com os aerogeradores. Além disso, a geração de energia elétrica por essas usinas depende de condições climáticas, como a força dos ventos.
• As usinas solares também têm alto custo de instalação, e a quantidade de energia elétrica que conseguem gerar depende da intensidade de luz que atinge as placas fotovoltaicas. Por isso, em dias nublados o rendimento das placas é menor.

Apesar de ajudar na realização de diversas tarefas do cotidiano, muitas pessoas ainda não usufruem do direito à energia elétrica. Para tentar mudar esse realidade, alguns projetos promovem a instalação de painéis fotovoltaicos em residências, propriedades rurais e locais sem acesso à rede elétrica.

Usina termelétrica

As usinas termelétricas utilizam a energia térmica proveniente da queima de um combustível para gerar energia elétrica, que pode ser a biomassa ou combustíveis fósseis, como gás natural, carvão mineral e petróleo.

Observe a seguir como ocorre a transformação de energia térmica em elétrica em uma usina desse tipo.

Fonte de pesquisa: SÉRIE Termoeletricidade em Foco: uso de água em termoelétricas. São Paulo: Instituto de Energia e Ambiente, 2016. p. 10.

1. O calor proveniente da queima dos combustíveis aquece a água na caldeira.

2. Em razão da alta temperatura na caldeira, a água passa do estado físico líquido para o gasoso.

3. O vapor de água em alta pressão faz as turbinas girarem, transformando energia térmica em energia mecânica.

4. O movimento de rotação das turbinas aciona o gerador elétrico, convertendo a energia mecânica em energia elétrica.

5. A energia elétrica é conduzida até um transformador.

6. Em seguida, é distribuída pelas redes elétricas para a população.

7. O vapor de água na turbina é direcionado para o condensador, onde a água em estado físico gasoso passa para o estado físico líquido.

8. Após ser resfriada, a água é encaminhada por bombeamento até a caldeira.

Usina termonuclear

As usinas termonucleares funcionam de maneira semelhante às termelétricas, porém o que fornece energia térmica para a geração de energia elétrica é o processo de fissão nuclear^✚ do urânio.

Glossário

Observe a seguir como ocorre o funcionamento de uma usina termonuclear.

Fonte de pesquisa: CARDOSO, Eliezer de Moura et al. Energia nuclear. Rio de Janeiro: Comissão Nacional de Energia Nuclear. Disponível em: https://oeds.link/pCQkTh. Acesso em: 5 ago. 2022.

Objeto digital

A água necessária para o funcionamento da usina termonuclear é bombeada de uma fonte de água (1) até o gerador de vapor (2).

No reator (3), ocorre a fissão nuclear do urânio. Nele, há materiais que controlam a velocidade da reação de fissão, evitando, assim, possíveis acidentes. O calor liberado pela fissão nuclear no interior do reator aquece a água no gerador de vapor. Ao aquecer, essa água passa do estado físico líquido para o estado físico gasoso.

O vapor de água sob pressão movimenta as turbinas (4), transformando a energia térmica em energia mecânica. A rotação das turbinas aciona o gerador elétrico (5), que transforma a energia mecânica em energia elétrica, que é conduzida a um transformador (6). Em seguida, a energia elétrica é distribuída pelas redes elétricas (7) para a população.

O calor liberado no gerador de vapor pela fissão do urânio que não foi usado na geração de energia deve ser amenizado. Assim, o vapor de água é encaminhado para um condensador (8), onde a água passa para o estado físico líquido e é redirecionada para o gerador de vapor. Parte do vapor de água também é liberada pelas chaminés (9).

Como estudamos, as usinas termelétricas e termonucleares utilizam recursos não renováveis para a geração de energia elétrica e, dessa maneira, têm a vantagem de não depender das condições climáticas para funcionar.

No entanto, por utilizarem combustíveis fósseis, as termelétricas emitem grande quantidade de gases poluentes responsáveis pelo efeito estufa e consomem recursos naturais não renováveis. Já as usinas termonucleares geram resíduo radioativo, que não pode ser descartado no ambiente.

Por usar material radioativo como o urânio, a segurança no funcionamento das usinas termonucleares deve ser redobrada, a fim de prevenir acidentes, como os ocorridos em Chernobyl, na Ucrânia, em 1986, e em Fukushima, no Japão, em 2011.

Tanto no acidente em Chernobyl quanto em Fukushima houve liberação de radiação no ambiente. No entanto, na usina ucraniana, a quantidade de radiação emitida foi maior, pois falhas humanas e erros no projeto de construção ocasionaram uma grande explosão em um dos reatores nucleares, tornando a cidade inabitável até hoje.

Em Fukushima, o acidente foi causado por um intenso terremoto, seguido de um tsunami, que atingiu o local. Devido aos efeitos dessas catástrofes naturais, os reatores nucleares ficaram superaquecidos e explodiram.

Questão 6. Vire-se para um colega e fale o nome de um tipo de usina que estudamos. Ele deverá falar as vantagens e as desvantagens da instalação desse tipo de usina. Em seguida, faça o mesmo após ele falar o nome de outro tipo de usina para você.

Resposta pessoal. A resposta dependerá das usinas escolhidas pelos alunos.

Atividades

Faça as atividades no caderno.

1. Explique qual é a importância do condensador para a geração de energia elétrica em usinas termelétricas e termonucleares.

Resposta nas orientações ao professor.

2. Leia os tipos de usina apresentados a seguir. Depois, identifique a alternativa que contém as características de cada uma.

usina hidrelétrica

usina eólica

usina solar

a) Dependem das reservas de combustíveis fósseis.

b) Não provocam impactos ambientais.

c) Utilizam fontes de energia renováveis.

d) Não dependem das condições climáticas.

e) Não provocam impactos socioambientais.

Resposta: Alternativa c.

3. Escreva as frases a seguir no caderno e substitua ▲ pela palavra adequada.

vertedouros

solares

aerogeradores

eólicas

semicondutores

hidrelétricas

a) Nas usinas ▲, são utilizados os painéis fotovoltaicos. Esses painéis são feitos de materiais ▲, como o silício.

Resposta: solares; semicondutores.

b) Nas usinas ▲, os ▲ recebem a água excedente do reservatório que não foi utilizada para a geração de energia elétrica.

Resposta: hidrelétricas; vertedouros.

c) Nas usinas ▲, os ▲ são formados por pás com formato aerodinâmico, rotor, gerador elétrico e torre.

Resposta: eólicas; aerogeradores.

4. Leia a manchete a seguir e faça as atividades propostas.

a) Qual é a importância da atitude citada na manchete?

Resposta nas orientações ao professor.

b) Em seu caderno, faça um esquema explicativo sobre a estrutura da pilha e conte como ela foi criada.

Resposta nas orientações ao professor.

Diferença de potencial

Analise a foto a seguir.

Questão 7. Em sua opinião, o que significam as palavras volts e watts, escritas na embalagem da lâmpada representada na foto?

Resposta nas orientações ao professor.

Questão 8. Considere que a lâmpada representada na foto foi comprada para uma residência cuja rede elétrica é de $220\text{V}$. Explique, com suas palavras, se essa lâmpada funcionará adequadamente ou não.

Resposta pessoal. Espera-se que os alunos analisem a imagem e respondam que a lâmpada não funcionará adequadamente, pois ela foi fabricada para funcionar com $127\text{V}$ e, provavelmente, queimará.

Ao analisar a embalagem de uma lâmpada de LED representada na foto, você deve ter percebido na descrição do produto que essa lâmpada é de $127\text{V}$. Essa informação está relacionada a uma grandeza física importante no estudo da eletricidade: a tensão elétrica, também conhecida como diferença de potencial.

A tensão elétrica é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos ao longo de um condutor. Popularmente, o termo voltagem refere-se à diferença de potencial elétrico. No entanto, o Sistema Internacional (SI) estabeleceu que a unidade de medida da diferença de potencial é o volt $\left(\text{V}\right)$, nome dado em homenagem a Alessandro Volta.

A imagem a seguir ajuda a compreender o conceito de diferença de potencial.

1. Considere uma pilha comum de $1,5\text{V}$. Em cada polo dessa pilha, há cargas elétricas de sinais opostos. Essas cargas, que estão separadas, têm diferentes valores de energia, ou seja, o polo positivo tem mais energia do que o polo negativo.

2. Essa variação origina uma diferença de potencial elétrico entre os dois polos, fazendo os elétrons se movimentarem ao longo de um condutor, do polo positivo para o negativo, em um circuito fechado.

3. A corrente elétrica gerada pela diferença de potencial dos polos faz a lâmpada permanecer acesa.

Quanto maior a diferença de potencial, maior a tendência de os elétrons se movimentarem pelo condutor.

Nas pilhas comuns, como a do exemplo da página anterior, a diferença de potencial é de $1,5\text{V}$, que é menor se comparada à gerada por outros dispositivos presentes em nosso cotidiano, como a rede elétrica residencial, que, geralmente, fornece uma diferença de potencial de $127\text{V}$ ou $220\text{V}$.

A diferença de potencial fornecida por um gerador elétrico pode ser medida por meio de um instrumento conhecido como voltímetro.

Em alguns casos, como para se referir à tensão elétrica da energia elétrica gerada nas usinas, é usado o termo quilovolt $\left(\text{kV}\right)$. $1\text{kV}$ corresponde a $1.000\text{V}$.

Analise a seguir os valores de tensão elétrica na geração, transmissão e distribuição de energia elétrica por uma hidrelétrica.

Fonte de pesquisa: ANEEL. Disponível em: https://oeds.link/SOed7x. Acesso em: 5 ago. 2022.

1. Nas usinas, a energia elétrica é gerada com tensão elétrica entre $18\text{kV}$ e $30\text{kV}$.

2. Em seguida, as subestações de transmissão elevam a tensão elétrica para valores que variam de $88\text{kV}$ a $750\text{kV}$, para diminuir perdas de energia na rede de transmissão.

3. Próximo às unidades consumidoras há subestações de distribuição que baixam a tensão elétrica para $13,8\text{kV}$.

4. Por fim, a tensão elétrica ainda sofre mais um rebaixamento para valores compatíveis com os equipamentos elétricos que utilizamos nas residências, geralmente $127\text{V}$ ou $220\text{V}$. Algumas indústrias utilizam tensões mais elevadas, até $88\text{kV}$.

Resistência elétrica

Atualmente, algumas pessoas utilizam churrasqueiras elétricas para assar carnes e legumes. Diferentemente das churrasqueiras a carvão, esse equipamento deve ser ligado a uma fonte de energia elétrica para aquecer.

Para compreender o funcionamento de uma churrasqueira elétrica, vamos retomar o conceito de corrente elétrica, que é o movimento ordenado de elétrons por um condutor. Confira a seguir.

Fonte de pesquisa: GREF. Física 3: eletromagnetismo. 5. ed. São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, 2006. p. 47.

Quando uma corrente elétrica passa por um condutor, os elétrons interagem com átomos desse condutor e com outros elétrons. Isso causa o aquecimento do condutor, ou seja, parte da energia elétrica é transformada em energia térmica.

Ao analisar a imagem da churrasqueira elétrica, você deve ter percebido que uma parte dela está incandescente^✚. Essa parte é chamada resistor, também conhecida popularmente como resistência, e está relacionada à resistência elétrica dos condutores ao movimento dos elétrons.

Glossário

Quando uma corrente elétrica passa pelo resistor da churrasqueira elétrica, ele se aquece e libera grande quantidade de energia térmica.

A resistência elétrica varia dependendo do tipo de material de que são feitos os condutores. Por exemplo, a resistência elétrica específica do cobre $\left(\text{Cu}\right)$ é menor do que a do alumínio $\left(\text{A}\mathrm{l}\right)$. Além do material utilizado na fabricação do condutor, outros fatores determinam sua resistência elétrica, como os destacados a seguir.

• Extensão do condutor: quanto maior a extensão, maior a sua resistência elétrica.
• Temperatura do condutor: para a maioria dos materiais, quanto maior a temperatura, maior a resistência elétrica do condutor.
• Espessura do condutor: quanto maior a espessura, menor a resistência elétrica do condutor à passagem de corrente elétrica.

O aquecimento do condutor, ou seja, quando parte da energia elétrica é transformada em energia térmica, é conhecido como efeito Joule. No entanto, nem sempre esse efeito é desejável. O aumento da temperatura de um fio, por exemplo, resulta no aumento de sua resistência elétrica e da energia dissipada, de modo que essa energia não é aproveitada pelo aparelho elétrico. Além disso, em muitos casos, o aquecimento dos condutores requer cuidados especiais para evitar danos ou mau funcionamento dos equipamentos.

Lei de Ohm

Ao usar o chuveiro elétrico, você já deve ter percebido que ele tem uma chave que nos permite escolher entre formas de aquecimento – quente ou inverno (maior aquecimento), morno ou verão (menor aquecimento) e frio ou desligado (sem aquecimento). O que muda nesse processo é o comprimento do resistor, conforme a imagem a seguir.

Quando a chave do chuveiro é colocada na posição quente, a corrente elétrica passa pelos pontos A e B do resistor, ou seja, apenas por uma parte dele.

Quando é colocada na posição morna, a corrente elétrica passa pelos pontos A e C do resistor, isto é, por todo o seu comprimento.

Quando o chuveiro está na posição quente, a corrente elétrica é maior que quando a chave está na posição morna; consequentemente, mais energia elétrica é transformada em energia térmica, tornando a água mais aquecida. Assim, quando a chave do chuveiro está na posição morna, a corrente elétrica é menor e menos energia elétrica é transformada em energia térmica, tornando a água menos aquecida.

Quando o chuveiro está posicionado como frio ou desligado, o resistor não é acionado e a água não é aquecida.

A resistência elétrica de um condutor é simbolizada pela letra R, e, de acordo com o Sistema Internacional, a unidade de medida dessa grandeza é o ohm, simbolizada pela letra grega ômega $\left(\mathrm{\Omega }\right)$, em homenagem ao físico alemão Georg Simon Ohm (1789-1854).

Esse físico estudou as relações entre a diferença de potencial $\left(U\right)$, a intensidade de corrente elétrica $\left(i\right)$ e a resistência elétrica $\left(R\right)$.

Nessa relação, quando a diferença de potencial permanece, a intensidade de corrente eleva-se se diminuirmos a resistência elétrica do condutor. Da mesma maneira, se essa resistência for aumentada, a intensidade de corrente diminui.

Em seus estudos, Ohm realizou diversos experimentos com circuitos elétricos e percebeu que a diferença de potencial aplicada entre as extremidades de qualquer parte de um circuito é o produto da intensidade da corrente elétrica e da resistência elétrica daquela parte do circuito. Essa relação é representada pela equação a seguir.

em que:

• $U$ é a diferença de potencial;
• $R$ é a resistência elétrica;
• $i$ é a intensidade de corrente elétrica.

Ao verificarmos essa equação, percebemos que o quociente entre a diferença de potencial e a corrente elétrica, em determinado trecho do condutor, é igual à resistência elétrica nesse trecho. Essa relação é representada pela equação a seguir.

Quando o valor de $R$ é constante, essa relação é conhecida como lei de Ohm.

De acordo com o Sistema Internacional, as unidades de medida da diferença de potencial, da corrente elétrica e da resistência elétrica são, respectivamente, o volt $\left(\text{V}\right)$, o ampere $\left(\text{A}\right)$ e o ohm $\left(\mathrm{\Omega }\right)$.

Potência elétrica

Analise as fotos a seguir.

Questão 9. Em sua opinião, qual das lâmpadas de LED ilumina mais o ambiente quando está em funcionamento? A ou B?

Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levantar os conhecimentos prévios dos alunos a respeito da potência elétrica. Provavelmente, eles responderão que é a lâmpada B, de $16\text{W}$.

Questão 10. Em qual das informações da embalagem você se baseou para responder à questão anterior?

Resposta pessoal. Provavelmente, os alunos vão responder a esta questão com base na indicação do valor da potência da lâmpada de LED em watt $\left(\text{W}\right)$.

Os equipamentos elétricos têm várias utilidades em nosso dia a dia. Com o funcionamento deles, conseguimos, por exemplo, escutar música, tomar um banho quente, enviar um e-mail e acender uma lâmpada. Como estudamos, há vários tipos de energia que podem ser transformados em energia elétrica, e vice-versa. Por exemplo, ao ligarmos o chuveiro elétrico, a energia elétrica é transformada em energia térmica para que a água fique aquecida.

A quantidade de energia transformada pelo equipamento elétrico em determinado intervalo de tempo é chamada potência elétrica. No Sistema Internacional, a unidade de medida da potência é o watt $\left(\text{W}\right)$, que corresponde ao joule por segundo $\left(\text{J/s}\right)$.

Para entendermos melhor o conceito de potência elétrica, considere a lâmpada de LED de $16\text{W}$. Ela transforma $16\text{J}$ de energia elétrica em energia luminosa e térmica a cada segundo que passa. É importante ressaltar que os equipamentos elétricos não armazenam energia, mas sim transformam a energia elétrica em outras formas de energia.

A potência de um equipamento elétrico pode ser calculada pela equação a seguir.

em que:

• $P$ é a potência;
• $i$ é a intensidade de corrente;
• $U$ é a diferença de potencial.

Lembrando que, no Sistema Internacional, as unidades de medida de potência dissipada, de corrente elétrica e da diferença de potencial são, respectivamente, o watt $\left(\text{W}\right)$, o ampere $\left(\text{A}\right)$ e o volt $\left(\text{V}\right)$.

Em diversos equipamentos elétricos que podemos utilizar em nosso dia a dia, há etiquetas com informações sobre o seu funcionamento, como a corrente elétrica que passa por eles e a diferença de potencial que deve ser aplicada. Analise a seguir.

Com base nas informações técnicas do forno de micro-ondas podemos, por exemplo, calcular a resistência elétrica e a potência elétrica desse equipamento.

Confira primeiro como calcular a resistência elétrica desse micro-ondas.

Agora, confira como calcular a potência elétrica do forno de micro-ondas quando ligado à rede de $127\text{V}$ e percorrido por uma corrente elétrica de $14\text{A}$.

Questão 11. O que acontecerá com a intensidade da corrente elétrica do micro-ondas se diminuirmos a diferença de potencial aplicada a ele?

Resposta: De acordo com a lei de Ohm, a corrente elétrica é diretamente proporcional à diferença de potencial. Desse modo, se diminuirmos a diferença de potencial, a intensidade de corrente elétrica no forno de micro-ondas também diminuirá, podendo deixar de funcionar adequadamente.

Conhecer o valor da potência de um equipamento elétrico possibilita mensurar a sua eficiência energética, ou seja, a quantidade de energia elétrica que será consumida de acordo com seu funcionamento.

O consumo de energia de um equipamento elétrico pode ser calculado pela equação a seguir.

em que:

• $E$ é a energia elétrica consumida ou transformada;
• $P$ é a potência elétrica do aparelho, em watt;
• $\mathrm{\Delta }t$ é o intervalo de tempo, em segundos.

Retornando ao exemplo da lâmpada de LED, vamos analisar qual lâmpada consome mais energia se ficar ligada durante $2$ horas, ou $7.200$ segundos, a de $9\text{W}$ ou a de $16\text{W}$.

Lâmpada de LED A.

Lâmpada de LED B.

No Sistema Internacional, a unidade de medida de energia consumida é o joule $\left(\text{J}\right)$, no entanto a medida comumente usada para expressar esse consumo é o quilowatt-hora $\left(\text{kWh}\right)$. Confira a seguir.

$E=\frac{P\cdot \mathrm{\Delta }t}{1.000}\Rightarrow \frac{9\cdot 2}{1.000}\therefore E=0,018\text{kWh}$

O consumo de energia da lâmpada de LED de $9\text{W}$ durante $2$ horas é de $0,018\text{kWh}$.

$E=\frac{P\cdot \mathrm{\Delta }t}{1.000}\Rightarrow \frac{16\cdot 2}{1.000}\therefore E=0,032\text{kWh}$

O consumo de energia da lâmpada de LED de $16\text{W}$ durante $2$ horas é de $0,032\text{kWh}$.

Com base nos cálculos, podemos verificar que, ao permanecer ligada durante $2$ horas, a lâmpada de LED de $9\text{W}$ consome menos energia que a lâmpada de LED de $16\text{W}$. Assim, é possível concluir que, dependendo do material de que é feita e do tempo de uso, a lâmpada que apresenta maior potência consome mais energia elétrica.

Cuidados com a energia elétrica

Observe a imagem a seguir.

Questão 12. Em sua opinião, a profissional que está mexendo na instalação elétrica representada na imagem está segura contra choque elétrico? Justifique sua resposta.

Resposta nas orientações ao professor.

Como estudamos, a eletricidade é muito importante em nosso cotidiano, pois ela facilita diversas atividades que realizamos, proporcionando eficiência e conforto. No entanto, em muitas situações, a eletricidade pode causar sérios danos ao corpo humano e até mesmo ser fatal.

Quando entramos em contato com um fio condutor ou com algum outro material eletrizado, a corrente elétrica pode passar pelo nosso corpo e causar o choque elétrico. Nesse caso, o coração é um dos órgãos mais prejudicados, pois a corrente elétrica pode causar sérias alterações nos batimentos cardíacos, provocando infarto^✚ ou arritmia^✚.

Glossário

Vamos conhecer a seguir alguns cuidados para evitar choques elétricos.

• Não soltar pipas em locais onde haja fios elétricos.
• Não subir em postes elétricos.
• Não tocar em fios elétricos.
• Não manipular aparelhos elétricos descalço ou com as mãos molhadas.
• Não mudar a chave seletora do chuveiro elétrico com ele ligado.
• Não tentar fazer reparos nas instalações elétricas de sua residência nem em aparelhos elétricos. Somente profissionais especializados e com equipamentos de segurança podem realizar essa tarefa.

Conforme apresentado na imagem da página anterior, as instalações elétricas devem ser realizadas e reparadas por profissionais especializados. Além disso, eles devem utilizar materiais adequados. Por exemplo, quando uma instalação elétrica é feita com fios de espessura menor que a indicada para a corrente elétrica a ser aplicada, pode ocorrer um superaquecimento desses fios, causando o derretimento do material isolante, o que também pode provocar curtos-circuitos, incêndios e choques elétricos.

Vamos conhecer a seguir alguns cuidados para evitar os curtos-circuitos.

• Não utilizar benjamins (também conhecidos como "tês") para conectar vários equipamentos em uma mesma tomada.
• Evitar o uso de extensões elétricas, principalmente para uso de aparelhos elétricos de alta potência.
• Contratar um eletricista para verificar se os fios condutores estão conservados e se precisam de reparos.
• Ao realizar emendas em fios elétricos, o eletricista deve utilizar fita isolante ou conectores isolantes.
• Toda instalação elétrica deve ter fusíveis^✚ ou disjuntores^✚.

Glossário

Os fusíveis e os disjuntores são dispositivos que desempenham praticamente a mesma função: proteger a instalação elétrica contra sobrecargas e curtos-circuitos.

Existem diversos modelos de fusíveis, para as mais variadas aplicações.

Quando a corrente elétrica ultrapassa determinados valores, os fusíveis e os disjuntores abrem o circuito, cessando a corrente e evitando danos que podem causar incêndios.

Quando um fusível abre o circuito, ele deve ser trocado, pois o condutor em seu interior se rompe e, como ele não tem mais a capacidade de fechar o circuito, não pode ser utilizado novamente. O disjuntor, por sua vez, pode ser reutilizado várias vezes.

Em geral, em uma casa ou edifício, há uma caixa de disjuntores com diversos deles conectados aos diferentes cômodos da residência. Geralmente, há um disjuntor (ou um par de disjuntores) específico para o chuveiro elétrico, pois é um dispositivo elétrico de alta potência.

Atividades

Faça as atividades no caderno.

1. Considere que a diferença de potencial de funcionamento de determinado aquecedor elétrico é de $127\text{V}$. Com base nessa informação, responda às questões a seguir.

a) Se esse aquecedor for conectado a uma diferença de potencial de $220\text{V}$ ele funcionará adequadamente? Por quê?

Resposta: Como o aquecedor não foi projetado para uma tensão elétrica de $220\text{V}$, é provável que ocorra um rompimento do resistor elétrico, danificando o aparelho.

b) Se esse aquecedor elétrico for ligado em uma diferença de potencial de $85\text{V}$, como será o funcionamento desse aparelho?

Resposta: O aquecedor não funcionará com toda a sua potência, ou seja, uma quantidade menor de energia elétrica será transformada em energia térmica e em energia luminosa.

c) Explique quais transformações de energia ocorrem em um aquecedor elétrico para que ele funcione.

Resposta: Nesse equipamento elétrico, a energia elétrica é transformada em energia térmica e em energia luminosa, aquecendo o ambiente.

2. Reescreva as frases a seguir em seu caderno substituindo os algarismos romanos pelas palavras maior ou menor, completando-as de maneira adequada.

a) Quando um chuveiro elétrico está conectado a uma tensão elétrica constante, quanto maior for sua potência elétrica, I será a corrente elétrica estabelecida.

b) Quanto menor a espessura de um condutor elétrico, II a sua resistência elétrica.

c) Quanto III o comprimento de um fio condutor, menor a sua resistência elétrica.

d) Considerando a maioria dos materiais, quanto IV a sua temperatura, menor o valor de sua resistência elétrica.

e) Quanto maior a diferença de potencial estabelecida em um circuito elétrico, V o movimento dos elétrons pelo condutor.

Resposta: I – maior; II – maior; III – menor; IV – menor; V – maior.

3. Leia a tirinha a seguir.

BECK, Alexandre. Armandinho Doze. Florianópolis: A. C. Beck, 2019. p. 93.

a) Cite atitudes que Armandinho poderia realizar a fim de contribuir para reduzir o consumo de energia elétrica.

Resposta nas orientações ao professor.

b) Considerando que, após mudanças nos hábitos diários na casa de Armandinho, a fatura de energia elétrica tenha indicado um consumo de $160\text{kWh}$, calcule o valor do consumo, em reais, considerando a tarifa da região de aproximadamente R$ 0,51 por $\text{kWh}$, sem considerar os impostos e a taxa de iluminação pública.

Resposta: O valor do consumo é de R$ 81,60. Resolução nas orientações ao professor.

4. Leia a manchete e o trecho de reportagem a seguir e responda à questão proposta.

a) Como os acidentes citados na manchete e no trecho de reportagem poderiam ser evitados? Converse com seus colegas sobre isso. Em seguida, elaborem juntos um resumo sobre esses cuidados.

Resposta nas orientações ao professor.

5. A resistência elétrica de um condutor é de $20\mathrm{\Omega }$. Determine a intensidade da corrente elétrica que o atravessa quando submetido a uma diferença de potencial de $10\text{V}$.

Resposta: O valor da intensidade de corrente é de $0,5\text{A}$. Resolução nas orientações ao professor.

6. Quando você acende uma lâmpada de $25\text{W}$ de potência, qual é a corrente elétrica que se estabelece, sabendo que a tensão elétrica em sua casa é de $127\text{V}$?

Resposta: O valor da corrente elétrica estabelecida é de aproximadamente $0,2\text{A}$. Resolução nas orientações ao professor.

7. Nos aparelhos elétricos e eletrônicos comercializados atualmente, há uma etiqueta com as características técnicas do produto. Confira a seguir fotos de três etiquetas com as características técnicas de três chuveiros elétricos A, B e C. Eles apresentam o mesmo modelo, porém com configurações diferentes.

Etiquetas que fornecem informações sobre as características técnicas de um mesmo modelo de chuveiro elétrico: A, B e C.

a) Classifique, em ordem crescente de economia, os modelos dos chuveiros elétricos apresentados. Justifique sua resposta.

Resposta nas orientações ao professor.

b) Calcule a corrente elétrica necessária para o funcionamento dos chuveiros A, B e C, de acordo com cada uma das etiquetas.

Resposta: A: aproximadamente $34,1\text{A}$; B: aproximadamente $30,9\text{A}$; C: aproximadamente $43,3\text{A}$. Resoluções nas orientações ao professor.

c) Classifique, em ordem crescente, a intensidade da corrente elétrica dos modelos desses três chuveiros elétricos.

Resposta: A ordem crescente de intensidade de corrente elétrica é dada por: B, A e C.

d) De acordo com as classificações feitas nos itens a e c, explique por que o modelo que necessita de maior corrente elétrica é o mais econômico.

Resposta: Espera-se que os alunos respondam que o gasto de energia está relacionado à potência do aparelho, e não à quantidade de corrente elétrica necessária para o chuveiro funcionar.