Lei de Joule

Lei de Joule (também conhecida como efeito Joule) é uma lei física que expressa a relação entre o calor gerado e a corrente elétrica que percorre um condutor em determinado tempo. O nome é devido a James Prescott Joule (1818-1889) que estudou o fenômeno em 1840.

Definição

Ela pode ser expressa por:

$Q = I^2 \cdot R \cdot t$

onde:

• Q é o calor gerado por uma corrente constante percorrendo uma determinada resistência elétrica por determinado tempo.
• I é a corrente elétrica que percorre o condutor com determinada resistência R.
• R é a resistência elétrica do condutor.
• t é a duração ou espaço de tempo em que a corrente elétrica percorreu ao condutor.

Se a corrente não for constante em relação ao tempo:

$Q = R \int_{t_1}^{t_2} i^2 dt \,$

Termodinâmica

Quando uma corrente elétrica atravessa um material condutor, há produção de calor. Essa produção de calor é devida ao trabalho realizado para transportar as cargas através do material em determinado tempo.

Unidade joule

A lei de Joule está relacionada com a definição de joule onde:

• Um joule é o trabalho realizado para transportar um coulomb (unidade de medida da carga elétrica) de um ponto para outro, estando os dois pontos a uma diferença de potencial de um volt (unidade de medida da diferença de potencial).
• O trabalho é dado por:

$\ W = Q.U$

onde:

• W é o trabalho elétrico (em joule).
• Q é a carga (em coulomb).
• U é a diferença de potencial (em volt).

Teoria cinética

A nível molecular o aquecimento acontece por causa da colisão dos elétrons com os átomos do condutor, em que o momento é transferido ao átomo, aumentando a sua energia cinética (ver calor).

Podemos dizer, portanto, que, quando o elétron colide com os átomos, fazem com que os núcleos vibrem com maior intensidade. O grau de agitação molecular é chamado de temperatura, ou seja, quando os elétrons colidem, aumentam a energia cinética dos átomos, sua temperatura.

Lei de Joule quando passa uma corrente electrica num conductor, a energia electrica é transformada em energia calorifera.

Potência dissipada

Nos resistores elétricos pode-se calcular a potência dissipada utilizando a lei de Joule:

$P = Q/t = I^2 \cdot R$

Aplicações

• Diferentes tensões no transporte da energia elétrica

É, principalmente, por causa do efeito Joule que a energia elétrica é transportada em longas distâncias em tensões mais altas (geralmente 13.200 V) e também a tensão das zonas rurais é 220V e 440V e nas urbanas 220V e 380V. A maior tensão permite que a corrente seja menor (para uma mesma potência , $P = U \cdot I$ ) e assim menos energia desperdiçada no efeito Joule (o outro motivo é o uso de cabos mais finos em secção reta com a economia do material condutor e estrutura de sustentação).

• Em aquecedores, lâmpadas e fusíveis é a lei de joule (juntamente com outras de transferência de calor) que permite calcular as dimensões adequadas para o correto funcionamento destes dispositivos.