Lei de Joule

James Prescott Joule nasceu em dezembro de 1818, em Salford, Inglaterra e sempre manifestou interesse pelas máquinas e pela Física. Joule teve contato com grandes físicos como John Dalton que o ensinaram ciências e matemática.

Fonte:

http://www.nndb.com/people/275/000049128/

Joule estudou a natureza da corrente elétrica. Após inúmeros experimentos ele descobriu que, quando um condutor é aquecido ao ser percorrido por uma corrente elétrica, ocorre uma transformação de energia elétrica em energia térmica. Este fenômeno é conhecido como Efeito Joule em sua homenagem.

A energia cinética dos elétrons é dissipada através de colisões com os íons da rede metálica (atrito em nível atômico). Parte dessa energia cinética é transferida para o átomo do metal, o que aumenta seu estado de agitação e, consequentemente, sua temperatura. Assim, a energia elétrica é transformada em energia térmica.

Supondo que a distância média entre duas colisões é d, a força elétrica F=q.E exercida sobre a carga q realiza um trabalho quando empurra essa carga ao longo dessa distância d, onde E é a intensidade do campo elétrico gerado por essa carga. Dessa forma, podemos expressar o trabalho W, em função da variação de distância Δs, da seguinte maneira:

O teorema da energia cinética diz que o trabalho da força resultante é medido pela variação da energia cinética. Logo, essa energia cinética é transferida para o material quando a carga  colide com um átomo deste material, causando um aumento de energia. Como as colisões ocorrem com frequência ao longo de um resistor de comprimento L, a energia total que esta carga transfere enquanto percorre essa distância é:

Podemos relacionar a intensidade de campo elétrico  e a diferença de potencial  entre linhas equipotenciais da seguinte forma:

Com isso, ao percorrer um resistor, cada carga  transfere uma quantidade de energia para a rede metálica igual a:

A taxa segundo a qual essa energia é transferida da corrente para o resistor é:

Essa potência, em Joules/segundo, é dissipada pelo resistor enquanto a carga flui através do mesmo. Como ΔU=R.i, pode-se obter:

Caso a corrente não seja constante em relação ao tempo, esse calor gerado será dado por:

O Efeito Joule está altamente associado ao Anel de Thomson, visto que o fio de cobre utilizado para fazer a bobina tem uma determinada resistividade e será percorrido por uma corrente 220V alternada.

Por meio das expressões aqui explícitas, é possível concluir que a energia dissipada será:

Essa energia é muito importante para o funcionamento do Anel de Thomson, isso porquê o cobre tem ponto de fusão de 1085°C. Para um perfeito funcionamento do Anel de Thomson, a energia dissipada pelo efeito joule deve ser inferior ao necessário para a fusão do cobre, e isso pode ser calculado pela expressão acima representada. 

Referências:

HALLIDAY, David; RESNIK, Robert; KRANE, Denneth S. Física 3. 4ª Edição. Rio de Janeiro, LTC,

2004.

KNIGHT, R. D. Física: Uma abordagem estratégica. Volume 3. 2ª Edição. Porto Alegre,

Bookman, 2009.

SILVEIRA, Fernando Lang. A qualitative explanation for “Thomson’s ring” experiment. How

does the “magnetic levitation” happen?. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 25, no. 1,

Março, 2003.

 

Publicado por: Stephanie Rocha