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Amperômetro e wattômetro térmico

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Objetivo
Investigar o comportamento da corrente através dos condutores, destacar o efeito Joule, dilatação térmica de fios de cobre, ferro, níquel-cromo etc., amplificação de deslocamentos lineares. Construir um dispositivo capaz de comparar intensidades de correntes e potências elétricas. Conceituar intensidade eficaz da corrente elétrica.

Aquecedores elétricos
O efeito térmico da corrente elétrica, conhecido como efeito Joule nos informa que: independente do tipo de condutor (sólido, líquido ou gasoso), ele se aquece quando atravessado por corrente elétrica.
Os fios metálicos preparados especificamente para exibirem essa propriedade são denominados de aquecedores elétricos e deles se transfere calor para outros corpos. Assim funcionam as panelas elétricas, os ferros elétricos de passar roupas, os chuveiros, os cobertores elétricos, os secadores de cabelos, os soldadores e muitos outros.
Esse fio é, via de regra, enrolado em isoladores refratários ao calor e estes se ajustam à forma dos aparelhos, como o são, por exemplo, a mica, o amianto ou a cerâmica. O material do fio aquecedor é projetado em conformidade com a temperatura que deve atingir. Prestam-se para isso a niquelina, até 500 oC, o constantan, até 600 oC, o cromo niquelado (níquel-cromo), até 1000 oC e tiras de silício, até 1450 oC.
Temperaturas muito mais altas requerem materiais com alto ponto de fusão como o ósmio (2700 oC), tântalo (2977 oC) ou tungstênio (3380 oC).

Investigação 1
Examinemos de perto o comportamento de alguns fios frente ao aquecimento pela corrente elétrica. Numa primeira experimentação, na qual utilizaremos de três suportes isolantes adequados A, B e C, usaremos de fios de cobre de 40 cm de comprimentos, espessuras de 0,2 mm e 0,5 mm. Eis a montagem:

No circuito série acima tem-se: fonte de alimentação ajustável, os fios de cobre, lâmpada teste L1 e chave interruptora Ch. Os fios são mantidos esticados mediante pequenos 'pesos' suspensos.
Fechando-se a chave Ch, a lâmpada L1 acende e os 'pesos' de carga descem (devido à dilatação térmica dos fios), sendo que 'peso' pendurado no do fio mais grosso desce quase que imperceptivelmente. A diferença fica nítida quando, mantida a tensão aplicada, ligamos em paralelo com L1 uma segunda lâmpada L2.
A experiência mostra claramente que,

 "fixados o comprimento e o material", o fio mais fino se aquece mais intensamente que o mais grosso, quando percorridos pela mesma intensidade de corrente elétrica.

Investigação 2
Se aumentarmos lentamente a tensão aplicada, os fios pendem cada vez mais com o aumento do brilho da lâmpada L1 (L2 foi retirada nessa fase), caracterizando um aumento na intensidade de corrente circulante. Continuando o processo de aumento progressivo da tensão aplicada,

o fio mais fino começa a se incandescer e se funde antes que a lâmpada L1 atinja seu brilho total.

Investigação 3
Se estendermos entre A e B um novo fio de cobre de 0,2 mm e entre B e C um fio de ferro de idênticas medidas, veremos que esse último, em um aumento gradativo da tensão da fonte, pende mais fortemente que o fio de cobre; ele se incandesce e se funde antes que a lâmpada L1 brilhe.

A mesma intensidade de corrente aquece um fio de ferro mais intensamente que um fio de cobre da mesma espessura e mesmo comprimento.

Investigação 4
A experimentação acima torna compreensível a razão pela qual são utilizados na construção de cabos condutores elétricos, fios de cobre e não de ferro e porque estes fios têm que ter uma determinada espessura mínima. Esse detalhe final (espessura mínima) é importante, mesmo porque um fio de cobre de 0,5 mm, através do qual se põe em funcionamento duas lâmpadas com total brilho, também se funde quando ocorre um 'curto-circuito'  (fio grosso ligado aos terminais da lâmpada), como se ilustra abaixo:

Conclusão experimental
Desse modo, parece-nos normal levar adiante a idéia da utilização do efeito Joule para produzir e aproveitar a dilatação térmica de fios na indicação e comparação de intensidades de correntes. Eis a base para a construção dos amperômetros e watômetros térmicos que, além de suas finalidades básicas, oferecem grandes vantagens: não são afetados pela proximidade de máquinas elétricas e se aplicam muito bem à medição de intensidade de correntes alternadas.

Montagem 1
Um primeiro modelo para um medidor de 'fio quente' é o ilustrado a seguir:

O cordel que sustenta o 'peso tensor' é preso ao meio do 'fio quente' mediante um anel de cerâmica e passa em torno de uma pequena polia à qual se fixa um longo ponteiro. Como 'fio quente' foi usado 40 cm de fio de aço de 0,2 mm de espessura. Com esse medidor podemos comparar intensidades de correntes que passam por diversas lâmpadas (20, 40, 60 e 100 W). É um bom comparador de potências elétricas!

"A intensidade eficaz de uma corrente alternada é a intensidade de uma corrente contínua que circulando pelo mesmo condutor, durante o mesmo intervalo de tempo, produz a mesma quantidade de calor, por efeito Joule."

Montagens 2 e 3
Eis dois modelos 'mais aperfeiçoados' de amperômetro térmico:

Pergunto:
a) Por que o aumento de temperatura do 'fio quente' não é ilimitado (quando percorrido por corrente de intensidade constante), apesar de nele ser constantemente produzida energia térmica?
    E no entanto, por que tal temperatura sobe quando a corrente se torna mais intensa?
b) Como se comporta um amperômetro térmico quando colocado sob um secador de cabelos?
    Por que é necessário um parafuso regulador para a correção do ponto zero?

Montagens didáticas

Bom sucesso!



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