Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica 1. (Espcex (Aman) 2015) Em um circuito elétrico, representado no desenho abaixo, o valor da força eletromotriz (fem) do gerador ideal é E 1,5 V, e os valores das resistências dos resistores ôhmicos são R1 R4 0,3 Ω, R2 R3 0,6 Ω e R5 0,15 Ω . As leituras no voltímetro V e no amperímetro A , ambos ideais, são, respectivamente, a) 0,375 V b) 0,750 V c) 0,375 V d) 0,750 V e) 0,750 V e 2,50 A e 1,00 A e 1,25 A e 1,25 A e 2,50 A 2. (Fuvest 2015) Dispõe se de várias lâmpadas incandescentes de diferentes potências, projetadas para serem utilizadas em 110 V de tensão. Elas foram acopladas, como nas figuras I, II e III abaixo, e ligadas em 220 V. Em quais desses circuitos, as lâmpadas funcionarão como se estivessem individualmente ligadas a uma fonte de tensão de 110 V ? a) Somente em I. b) Somente em II. c) Somente em III. d) Em I e III. e) Em II e III. Página 1 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica 3. (Ita 2014) Uma fonte de corrente é um dispositivo que fornece uma corrente invariável independentemente da tensão entre seus terminais. No circuito da figura, a corrente αi produzida pela fonte é proporcional à corrente i que circula no resistor R. Inicialmente descarregadas, as placas M e N são carregadas após o fechamento das chaves S1, S2 e S3, que serão novamente abertas após um intervalo de tempo T. A placa M é então retirada do circuito e é posta em contato com um condutor C descarregado (não mostrado na figura), ao qual transfere uma fração f de sua carga. Em seguida, com esse contato desfeito, o condutor C é totalmente descarregado. Na sequência, o mesmo procedimento é aplicado à placa N, a qual transfere a C a mesma fração f de sua carga, sendo então o contato desfeito e descarregando-se novamente C. Quando M e N são reintroduzidas no circuito, com as respectivas cargas remanescentes (de mesmo módulo, mas de sinais opostos), as chaves S 1, S2 e S3 são fechadas outra vez, permanecendo assim durante o intervalo de tempo T, após o que são novamente abertas. Então, como antes, repetem-se os contatos entre cada placa e C, e este processo de carga/descarga das placas é repetido indefinidamente. Nestas condições, considerando os sucessivos processos de transferência de carga entre M e C, e N e C, determine a carga q de M após todo esse procedimento em função de α , f,r, R, V1, V2, V3 e T. Considere V3 < V2 < V1. 4. (Unesp 2014) O circuito representado na figura é utilizado para obter diferentes intensidades luminosas com a mesma lâmpada L. A chave Ch pode ser ligada ao ponto A ou ao ponto B do circuito. Quando ligada em B, a lâmpada L dissipa uma potência de 60 W e o amperímetro ideal indica uma corrente elétrica de intensidade 2 A. Considerando que o gerador tenha força eletromotriz constante E = 100 V e resistência interna desprezível, que os resistores e a lâmpada tenham resistências constantes e que os fios de ligação e as conexões sejam ideais, calcule o valor da resistência R L da lâmpada, em ohms, e a energia dissipada pelo circuito, em joules, se ele permanecer ligado durante dois minutos com a chave na posição A. Página 2 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica 5. (Ita 2014) Um circuito elétrico com dois pares de terminais é conhecido como quadripolo. Para um quadripolo passivo, as tensões medidas em cada par de terminais podem ser z z expressas em função das correntes mediante uma matriz de impedância Z 11 12 , de tal z21 z22 v i forma que 1 z 1 . Dos quadripolos propostos nas alternativas seguintes, assinale aquele v2 i2 4Ω 2Ω cuja matriz de impedância seja . 2Ω 3Ω a) b) c) d) e) 6. (Unesp 2014) Para compor a decoração de um ambiente, duas lâmpadas idênticas, L 1 e L2, com valores nominais (100 V – 100 W), devem ser ligadas em paralelo a uma fonte de tensão constante de 200 V. Deseja-se que L1 brilhe com uma potência de 100 W e que L 2 brilhe com uma potência de 64 W. Para que as lâmpadas não queimem, dois resistores ôhmicos, R 1 e R2, com valores convenientes, são ligados em série com as respectivas lâmpadas, conforme o esquema representado na figura. Página 3 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica Considerando todos os fios utilizados na ligação como ideais e que as lâmpadas estejam acesas e brilhando com as potências desejadas, é correto afirmar que os valores das resistências de R1 e R2, em ohms, são, respectivamente, iguais a a) 200 e 100. b) 200 e 150. c) 100 e 150. d) 100 e 300. e) 100 e 200. 7. (Espcex (Aman) 2014) O circuito elétrico de um certo dispositivo é formado por duas pilhas ideais idênticas, de tensão “V” cada uma, três lâmpadas incandescentes ôhmicas e idênticas L1, L2 e L3, uma chave e fios condutores de resistências desprezíveis. Inicialmente, a chave está aberta, conforme o desenho abaixo. Em seguida, a chave do circuito é fechada. Considerando que as lâmpadas não se queimam, pode-se afirmar que a) a corrente de duas lâmpadas aumenta. b) a corrente de L1 diminui e a de L3 aumenta. c) a corrente de L3 diminui e a de L2 permanece a mesma. d) a corrente de L1 diminui e a corrente de L2 aumenta. e) a corrente de L1 permanece a mesma e a de L2 diminui. 8. (Fuvest 2014) A curva característica de uma lâmpada do tipo led (diodo emissor de luz) é mostrada no gráfico. Essa lâmpada e um resistor de resistência R estão ligados em série a uma bateria de 4,5 V, como representado na figura abaixo. Página 4 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica Nessa condição, a tensão na lâmpada é 2,5 V. a) Qual é o valor da corrente iR no resistor? b) Determine o valor da resistência R. c) A bateria de 4,5 V é substituída por outra de 3 V, que fornece 60 mW de potência ao circuito, sem que sejam trocados a lâmpada e o resistor. Nessas condições, qual é a potência PR dissipada no resistor? Note e adote: As resistências internas das baterias devem ser ignoradas. 9. (Fuvest 2013) No circuito da figura abaixo, a diferença de potencial, em módulo, entre os pontos A e B é de a) 5 V. b) 4 V. c) 3 V. d) 1 V. e) 0 V. 10. (Unesp 2013) Em um jogo de perguntas e respostas, em que cada jogador deve responder a quatro perguntas (P1, P2, P3 e P4), os acertos de cada participante são indicados por um painel luminoso constituído por quatro lâmpadas coloridas. Se uma pergunta for respondida corretamente, a lâmpada associada a ela acende. Se for respondida de forma errada, a lâmpada permanece apagada. A figura abaixo representa, de forma esquemática, o circuito que controla o painel. Se uma pergunta é respondida corretamente, a chave numerada associada a ela é fechada, e a lâmpada correspondente acende no painel, indicando o acerto. Se as quatro perguntas forem respondidas erradamente, a chave C será fechada no final, e o jogador totalizará zero ponto. Página 5 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica Cada lâmpada tem resistência elétrica constante de 60Ω e, junto com as chaves, estão conectadas ao ramo AB do circuito, mostrado na figura, onde estão ligados um resistor ôhmico de resistência R 20Ω , um gerador ideal de f.e.m. E = 120 V e um amperímetro A de resistência desprezível, que monitora a corrente no circuito. Todas as chaves e fios de ligação têm resistências desprezíveis. Calcule as indicações do amperímetro quando um participante for eliminado com zero acerto, e quando um participante errar apenas a P2. 11. (Enem 2013) Medir temperatura é fundamental em muitas aplicações, e apresentar a leitura em mostradores digitais é bastante prático. O seu funcionamento é baseado na correspondência entre valores de temperatura e de diferença de potencial elétrico. Por exemplo, podemos usar o circuito elétrico apresentado, no qual o elemento sensor de temperatura ocupa um dos braços do circuito (RS ) e a dependência da resistência com a temperatura é conhecida. Para um valor de temperatura em que RS 100Ω, a leitura apresentada pelo voltímetro será de a) +6,2V. b) +1,7V. c) +0,3V. d) –0,3V. e) –6,2V. 12. (Epcar (Afa) 2013) No circuito elétrico esquematizado abaixo, a leitura no amperímetro A não se altera quando as chaves C1 e C2 são simultaneamente fechadas. Página 6 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica Considerando que a fonte de tensão ε, o amperímetro e os fios de ligação são ideais e os resistores ôhmicos, o valor de R é igual a a) 50 . b) 100 . c) 150 . d) 600 . 13. (Fuvest 2013) Em uma aula de laboratório, os alunos determinaram a força eletromotriz å e a resistência interna r de uma bateria. Para realizar a tarefa, montaram o circuito representado na figura abaixo e, utilizando o voltímetro, mediram a diferença de potencial V para diferentes valores da resistência R do reostato. A partir dos resultados obtidos, calcularam a corrente I no reostato e construíram a tabela apresentada logo abaixo. a) Complete a tabela abaixo com os valores da corrente I. V(V) 1,14 1,10 1,05 0,96 0,85 R( ) 7,55 4,40 2,62 1,60 0,94 I(A) 0,15 0,40 0,90 b) Utilizando os eixos abaixo, faça o gráfico de V em função de I. Página 7 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica c) Determine a força eletromotriz ε e a resistência interna r da bateria. Note e adote: Um reostato é um resistor de resistência variável; Ignore efeitos resistivos dos fios de ligação do circuito. Página 8 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica Gabarito: Resposta da questão 1: [A] O sentido da corrente elétrica é mostrado na figura. Calculando a resistência equivalente do circuito: 0,9 R12 R1 R2 0,3 0,6 R12 0,9 Ω. R AB 0,45 Ω R R R 0,6 0,3 R 0,9 Ω . 2 3 4 34 34 Req R AB R5 0,45 0,15 Req 0,6 Ω. A leitura do amperímetro é a intensidade (I) da corrente no circuito. E Req I I E 1,5 Req 0,6 I 2,5 A. Como R12 = R34, as correntes i1 e i2 têm mesma intensidade. I 2,5 i1 i2 i1 i2 1,25 A. 2 2 A leitura do voltímetro é a tensão entre os pontos C e D. UVolt UCD R1 i1 R3 i2 0,3 1,25 0,3 1,25 0,375 0,75 UVolt 0,375 V. Resposta da questão 2: [D] Considerações: U2 . Com base nessa R expressão, se definirmos como R a resistência das lâmpadas de 120 W, as lâmpadas de 60 W e 40 W têm resistências iguais a 2 R e 3 R, respectivamente; 2ª) Na associação em série, lâmpadas de mesma resistência estão sob mesma tensão. Se as resistências são diferentes, as tensões são divididas em proporção direta aos valores das resistências. 3ª) Na associação em paralelo, a tensão é a mesma em todas as lâmpadas; 4ª) A tensão em cada lâmpada deve ser 110 V. 1ª) A expressão que relaciona tensão, potência e resistência é P As figuras abaixo mostram as simplificações de cada um dos arranjos, destacando as tensões Página 9 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica nas lâmpadas em cada um dos ramos. Arranjo (I): todas as lâmpadas estão sob tensão de 110 V. Arranjo (II): somente uma das lâmpadas está sob tensão de 110 V. Arranjo (III): todas as lâmpadas estão sob tensão de 110 V. Resposta da questão 3: Com as três chaves fechadas, calculemos a corrente i na malha destacada na figura, percorrendo-a no sentido horário. Página 10 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica V V3 R i V3 V2 0 i 2 . R Durante o tempo T, as placas são carregadas pela corrente α i. A carga (Q) adquirida pelo capacitor nesse 1º ciclo é: V V3 V V3 Q α iT α 2 T Q αT 2 . R R Passarão a ocorrer sucessivos ciclos carga/descarga, recebendo carga Q e descarregando um fator f da carga inicial de cada ciclo. Assim: q1i Q 1º Ciclo q1f Q f Q q1f Q 1 f . q2i q1f Q q2i Q 1 f Q 2º Ciclo q2f q2i f q2i q2f q2i 1 f q2f Q 1 f Q 1 f q2f Q 1 f 2 Q 1 f q2f Q 1 f 2 1 f . q q Q q Q 1 f 2 1 f Q 2f 3i 3i 3º Ciclo q3f q3i f q3i q3f q3i 1 f 3 2 q3f Q 1 f 1 f + 1 f . Ao final do n-ésimo ciclo, a carga é: 2 3 n qnf Q 1 f 1 f 1 f ... 1 f A soma que aparece entre colchetes é a dos n termos de uma progressão geométrica. Como o processo é repetido indefinidamente, temos uma P.G. com infinitos termos, na qual o primeiro termo é a1 = (1 – f) e a razão é r = (1 – f). 2 3 q Q 1 f 1 f 1 f ... Como a razão é menor que 1, a soma desses infinitos termos é: a Sn 1 . 1 q Então: Página 11 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica qQ q α T V2 V3 1 f 1 f 1 f Q q 1 1 f f R f α T V2 V3 1 f . fR Resposta da questão 4: Nota: a questão apresenta inconsistência de dados, como mostra a resolução. Para que os dados ficassem coerentes, a potência da lâmpada deveria ser 120 W. Dados: E 100 V; R1 20Ω; R2 45Ω; PL 60W; i1 2 A; Δt 2 min 120 s. – Resistência da lâmpada (RL). Usando os dados da lâmpada: P 60 PL RL i12 RL L 2 i1 22 RL 15 Ω. Usando a leitura do amperímetro e aplicando a lei de Ohm-Pouillet: E Req i1 E R1 RL i1 100 20 RL 2 20 RL 50 RL 50 20 RL 30 Ω. Isso mostra que os dados estão inconsistentes. – Energia dissipada (W). Com a chave em A, o circuito equivalente é o da figura abaixo. Para RL 15 Ω : Como o circuito é estritamente resistivo, temos: W P Δt W E2 E2 Δt W Δt Req RL R1 R2 1002 10.000 120 120 15 20 45 80 W 15.000 J. Para RL 30 Ω : Aplicando a lei de Ohm-Pouillet: Página 12 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica E Req i E RL R1 R2 i 100 30 20 45 i i 100 95 i 20 A. 19 2 20 W Req i2 Δt 95 120 19 W 12.630 J. Resposta da questão 5: [D] Montando o circuito: Aplicando as leis de Kirchoff: Lei dos nós: i1 i 3 i 4 i2 i4 i5 i2 i5 i4 Lei das malhas: v1 v 1 R1 i 3 0 i3 R1 v2 v 2 R3 i5 0 i5 R3 v v2 v 1 R2 i4 v 2 0 i4 1 R2 Fazendo substituições: R2 v1 R1 v1 v 2 v1 v1 v 2 i1 i1 R1 R2 R1 R2 R2 v1 R1 v1 R1 v 2 v v v i1 1 1 2 i1 R R R R R 1 2 1 2 2 i 1 1 v 1 v I 1 R R 1 R 2 1 2 2 Página 13 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica R2 v 2 R3 v1 v 2 v v v2 i2 i2 2 1 R3 R2 R 2 R3 R2 v 2 R3 v1 R3 v 2 v v v i2 2 1 2 i2 R 2 R3 R3 R 2 R 2 1 1 1 II i2 R v1 R R v 2 2 3 2 Dos dados: v1 4 2 i1 v 2 2 3 i2 Calculando a matriz inversa, podemos obter i 1 e i2 em função de v1 e v2: i 1 a b v1 i 2 c d v 2 Determinando essa matriz inversa: 4 2 a b 1 0 4a 2c 2 3 c d 0 1 2a 3c 4a 2c 1 4b 2d 0 2a 3c 0 2b 3d 1 a 3 a b 8 c d -1 4 -1 4 1 2 4b 2d 1 0 2b 3d 0 1 3 1 1 1 ;b ;c ;d 8 4 4 2 Então: 3 i 1 8 i 2 -1 4 -1 4 v 1 1 v 2 2 3 1 i1 8 v1 4 v 2 III i - 1 v 1 v IV 2 4 1 2 2 Confrontando (I) e (III): Página 14 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica 1 1 3 R R 8 1 2 -1 -1 R2 4 R2 4 Ω; R1 8 Ω. Confrontando (II) e (IV): 1 1 1 R R 2 2 3 R2 4 Ω; R2 4 Ω. -1 -1 R2 4 Portanto: R1 8 Ω; R2 4 Ω; R3 4 Ω. Resposta da questão 6: [C] Na lâmpada 1: P1 U1 i1 100 100 i1 i1 1 A. U U1 R1 i1 200 100 R1 1 R1 100 Ω. Na lâmpada 2, supondo que a resistência mantenha-se constante: U2 P2 2 R 2 U'2 P'2 R P2 U2 R 2 2 P'2 R U'2 P'2 U'2 i2 64 80 i2 100 100 64 U'2 2 10 100 U'2 80 V. 8 U'2 i2 0,8 A. U U'2 R2 i2 200 80 R 2 0,8 R 2 120 0,8 R2 150 Ω. Resposta da questão 7: [A] Seja R a resistência de cada lâmpada e U a ddp fornecida pela associação das duas pilhas. Calculemos a corrente em cada lâmpada nos dois casos, usando a 1ª lei de Ohm: CHAVE ABERTA: A resistência equivalente é: Rab R R 2 R. A corrente gerada é: U U Iab . Rab 2 R As correntes nas lâmpadas são: Página 15 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica i1 i2 Iab U 0,5 R; i3 0. 2R CHAVE FECHADA: A resistência equivalente é: R 3 R Rfec R . 2 2 A corrente gerada é: 2U U U I fec R fec 3 R 3 R 2 I fec 0,67 U . R As correntes nas lâmpadas são: I U i1 Ifec 0,67 ; i2 i3 fec 0,33 R. R 2 Conclusão: i1 e i3 aumentam e i2 diminui. Resposta da questão 8: O gráfico destaca os valores relevantes para a resolução da questão. a) Como o resistor e a lâmpada estão em série, a corrente é a mesma nos dois. Do gráfico: V 2,5 V iR i 0,04 A. b) A força eletromotriz da bateria é E = 4,5 V. A tensão no resistor é VR. VE E VR 4,5 2,5 VR 2,0 V. Aplicando a 1ª lei de Ohm: VR R i R 2 R 0,04 R 2 0,04 R 50 Ω. c) Com a nova bateria (E’ = 3 V), para a potência total PT = 60 mW, a corrente na lâmpada é i' . P E' i' 60 3 i' i' i'R 20 mA 0,02 A 2 102 A. A potência PR dissipada no resistor é: 2 PR R i'R 50 2 102 2 50 4 104 20 103 W PR 20 mW. Página 16 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica Resposta da questão 9: [B] Como o circuito está aberto entre os pontos A e B, a corrente elétrica entre esses pontos é nula, sendo, portanto, também nula a corrente pelo resistor de R 2 = 4 , ligado ao ponto A; ou seja, esse resistor não tem função, não entrando no cálculo da resistência equivalente. O circuito da figura 2 é uma simplificação do circuito da figura 1. Calculando a resistência equivalente: 2 Req 4 5 . 2 A ddp no trecho é U = 5 V, e a ddp entre os pontos A e B (UAB) é a própria ddp no resistor R1. Assim: U 5 U Req I I 1 A. Req 5 UAB R1 i 4 1 UAB 4 V. Resposta da questão 10: Para um participante com zero acerto, apenas a chave C é fechada e o circuito equivalente é o mostrado a seguir. A indicação do amperímetro é a intensidade da corrente i que passa por ele. Aplicando a lei de Ohm-Pouillet: Página 17 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica ER i i E 120 R 20 i 6 A. Se um participante errar apenas P2, as chaves C e 1 ficarão abertas, acendendo apenas as lâmpadas P1, P3 e P4 resultando no circuito a seguir. A resistência equivalente é: 60 Req 20 Req 40 Ω. 3 Aplicando novamente a lei de Ohm-Pouillet: E 120 E Req i i Req 40 i 3 A. Resposta da questão 11: [D] O circuito está representado abaixo. Considerando o voltímetro ideal, temos: Página 18 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica 10 1 10 470 100 i1 i1 570 57 A. UR i 10 470 120 i i 10 1 A. 1 2 590 59 1 VA VB 470 57 V V 470 1 A C 59 1 VA VB 470 57 V V 470 1 A C 59 VB VC 470 470 0,28 V 59 57 VB VC 0,3 V. Resposta da questão 12: [D] As figuras 1 e 2 ilustram as situações simplificadas com as chaves abertas e fechadas, respectivamente. Calculando a corrente I1 (leitura do amperímetro) no circuito da Fig. 1. Lei de Ohm-Pouillet. 1,5 ε R I 1,5 300 100 50 I I 450 1 I A. 300 eq1 1 1 1 1 A diferença de potencial (UBC) entre os pontos B e C é: 1 U 100 I U 100 300 1 U V. 3 BC 1 BC BC Quando as chaves são fechadas, a resistência de 50 fica em curto-circuito, podendo ser descartada, como na Fig.2. Como a leitura do amperímetro não se altera, a corrente no resistor de 100 continua sendo I1 e a tensão entre os pontos B e C, também não se altera: U BC 1 V. 3 Página 19 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica O somatório das tensões entre os pontos A e C é igual à força eletromotriz da bateria, possibilitando calcular a corrente 1 1 4,5 1 ε U U 1,5 300 I 1,5 300 I 300 I 3 3 3 I2: 3,5 I A. 900 AB BC 2 2 2 2 Mas, pela lei dos nós: 1 3,5 i I I i 300 900 1 2 i 3,5 3 900 i 0,5 A. 900 Finalmente, no resistor de resistência R: U Ri BC 1 900 0,5 R R 1,5 3 900 R 600 Ω. Resposta da questão 13: a) Aplicando a 1ª Lei de Ohm na 2ª e 4ª linhas: 1,1 I2 0,25 A. 4,4 V V R I I 0,96 R I4 0,60 A. 1,6 V(V) 1,14 1,10 1,05 0,96 0,85 R( ) 7,55 4,40 2,62 1,60 0,94 I(A) 0,15 0,25 0,40 0,60 0,90 b) Substituindo os valores da tabela do item anterior: Obs.: no eixo das tensões, os valores começam a partir de V = 0,7 V, por isso a reta não cruza o eixo das correntes no valor da corrente de curto circuito. c) Substituindo os dois primeiros valores de V e de I da tabela na equação do gerador e subtraindo membro a membro as duas equações: Página 20 de 21 Exercícios de Aprofundamento – Fis – Eletrodinâmica 1,14 ε r 0,15 V ε r I 1,10 ε r 0,25 0 0,10 r 0,04 1,14 ε 0,4 0,15 r 0,04 r 0,4 Ω. 0,1 ε 1,14 0,06 ε 1,2 V. Obs.: A equação dessa bateria é: V 1,2 0,4 I. Para V = 0,7 V: 1,2 0,7 0,7 1,2 0,4 I I i 1,25 A. 0,4 Esse é o valor em que a linha do gráfico corta o eixo das correntes, como assinalado no gráfico do item anterior. Página 21 de 21