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Trabalho e potência da corrente

Currículos: KS3, GCSE, cycle 4, 1re (effet Joule), Sek I, AP2

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Objetivo

Medir a potência que a lâmpada consome e a energia que a corrente fornece ao longo do tempo; verificar que \(E = P \cdot t\).

A montagem

Uma fonte de 6 V, um wattímetro e uma lâmpada de 6 V / 3 W. O circuito de corrente do wattímetro (terminais “±” e “A”) está ligado em série com a lâmpada, o circuito de tensão (terminais “±” e “V”), em paralelo com a lâmpada. A linha superior do visor é a potência, a linha inferior é a energia ou o tempo de contagem: as teclas E e t alternam entre elas. A contagem fica parada até que se pressione a tecla ▶■.

Procedimento

  1. Anote a potência \(P\) na linha superior do visor.
  2. Pressione ▶■ e, depois de 10–20 s, pressione de novo para parar a contagem. Anote a energia \(E\) (tecla E) e o tempo \(t\) (tecla t).
  3. Calcule \(P = E / t\) e compare com a leitura da linha superior.
  4. Ajuste a fonte para 3 V e anote a potência de novo.
Resultado esperado

A lâmpada consome cerca de 2,75 W — um pouco menos que a sua potência nominal: parte da tensão cai dentro da fonte. Por exemplo, em 10,8 s o contador chega a cerca de 29,7 J, e \(E / t\) = 2,75 W — o mesmo que na linha superior. Em 3 V a potência é de cerca de 0,89 W: a tensão caiu pela metade, mas a potência apenas 3,1 vezes, não 4. O filamento está mais frio, e sua resistência é menor.

Questões

  1. Em que se transforma o trabalho realizado pela corrente na lâmpada?
  2. Por que a potência da lâmpada com metade da tensão não diminuiu quatro vezes, como aconteceria com um resistor?
  3. Quantos joules há em 1 W · h?
Respostas
  1. Em energia interna do filamento quente, que a lâmpada libera como calor e luz. Dos 2,75 W, a maior parte sai como calor e radiação infravermelha; a luz visível corresponde a apenas alguns por cento.
  2. Para um resistor \(P = U^2 / R\) com \(R\) constante, então metade da tensão dá um quarto da potência. A resistência de um filamento de tungstênio cresce com a temperatura: em 3 V o filamento está mais frio e sua resistência é menor, então a corrente cai menos que pela metade, e a potência cai apenas 3,1 vezes, de 2,75 W para 0,89 W.
  3. 1 W · h = 1 W · 3600 s = 3600 J. A lâmpada desta montagem consome 2,75 W · 3600 s ≈ 9900 J em uma hora.