Uma lâmpada usada normalmente em Pelotas, onde a voltagem (ddp) é 220 Volts, não queima quando utilizada em Rio Grande, em que a voltagem da rede elétrica é 110 Volts. No entanto, na situação inversa, queima.
O efeito Joule explica por que a lâmpada queima. O que é Efeito Joule?

Passo 1

O enunciado apresenta a seguinte situação: uma lâmpada projetada para uso em Pelotas, onde a tensão da rede é de 220 V, não queima quando utilizada em Rio Grande, onde a tensão é de 110 V. No entanto, o oposto (uma lâmpada de 110 V ligada em 220 V) causa a queima da lâmpada. A questão central é: o que é o Efeito Joule?

Passo 2

Para compreender o fenômeno, vamos analisar o que ocorre quando uma corrente elétrica atravessa um material condutor, como o filamento de uma lâmpada. As grandezas relevantes são:
V
(diferença de potencial ou voltagem, medida em volts - V),
I
(corrente elétrica, medida em ampères - A),
R
(resistência elétrica do condutor, medida em ohms - \Omega), e
P
(potência elétrica dissipada, medida em watts - W).
A Lei de Ohm estabelece a relação entre corrente, tensão e resistência:
I=\frac{V}{R}.

Passo 3

A potência elétrica fornecida ao condutor é dada pelo produto da tensão pela corrente:
P=V\cdot I.
Substituindo a Lei de Ohm I=V/R na expressão da potência, obtemos as seguintes fórmulas equivalentes:
P=V\cdot I = I^{2}R = \frac{V^{2}}{R}.
Onde P representa a energia elétrica por unidade de tempo que está sendo convertida no condutor.

Passo 4

Em termos simples, o Efeito Joule descreve a transformação da energia elétrica em energia térmica (calor) devido às colisões entre os elétrons em movimento e os átomos do material condutor. Macroscopicamente, isso se manifesta como a potência P dissipada, conforme as fórmulas apresentadas: a corrente aquece o condutor, e esse aquecimento é proporcional a I^{2}R (ou a V^{2}/R). Microscopicamente, os elétrons se movem sob o campo elétrico, colidem com a rede cristalina, transferem energia cinética para os átomos, resultando no aquecimento da rede.

Passo 5

Aplicando o conceito ao exemplo das lâmpadas, consideremos dois filamentos com a mesma resistência R em temperatura de operação (ou filamentos de projeto similar). Se dobrarmos a tensão aplicada à mesma lâmpada, a potência dissipada aumentará por um fator de quatro, pois
\frac{P_{2}}{P_{1}}=\left(\frac{V_{2}}{V_{1}}\right)^{2}.
Assim, ao ligar uma lâmpada projetada para 110 V em uma rede de 220 V (ou seja, V_{2}/V_{1}=2), a potência teoricamente aumentaria por um fator de 2^{2}=4. Esse aumento significativo na potência eleva a temperatura do filamento, acelerando a evaporação do metal, criando pontos de superaquecimento e, eventualmente, levando à ruptura do filamento, resultando na queima da lâmpada.

Passo 6

Por outro lado, ao ligar uma lâmpada projetada para 220 V em uma rede de 110 V, a potência é reduzida a um quarto do valor original (mantendo a mesma relação, V_{2}/V_{1}=1/2). Consequentemente, a lâmpada recebe consideravelmente menos energia térmica do que o projetado, resultando em um brilho fraco, mas sem queimar, pois não ocorre superaquecimento. Essa é a razão pela qual uma lâmpada de 220 V pode operar sem queimar em 110 V, enquanto uma lâmpada de 110 V queima em 220 V.

Passo 7

Adicionalmente, a resistência do filamento varia com a temperatura, aumentando à medida que a temperatura sobe. Esse efeito modera ligeiramente a corrente quando a tensão aumenta, mas não impede o aumento significativo da potência com a tensão mais alta. O aumento da temperatura e da potência causa a evaporação do metal e o surgimento de pontos fracos, que levam à ruptura do filamento. Portanto, a variação de R com T não é suficiente para proteger a lâmpada contra uma tensão muito superior à nominal.

Passo 8

Em resumo, o Efeito Joule é a conversão de energia elétrica em calor devido à passagem de corrente em um condutor, quantificada por P=I^{2}R=V^{2}/R=V\cdot I. O aquecimento excessivo resultante da aplicação de uma tensão superior à nominal é o que causa a queima da lâmpada.

Resposta

O Efeito Joule é a transformação de energia elétrica em calor quando uma corrente elétrica percorre um condutor; a potência térmica dissipada é dada por P=I^{2}R=\dfrac{V^{2}}{R}=V\cdot I, e é esse aquecimento (excessivo se a tensão for muito maior que a nominal) que faz a lâmpada queimar.

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