ENEM 2013

Um circuito em série é formado por uma pilha, uma lâmpada incandescente e uma chave interruptora. Ao se ligar a chave, a lâmpada acende quase instantaneamente, irradiando calor e luz. Popularmente, associa-se o fenômeno da irradiação de energia a um desgaste da corrente elétrica, ao atravessar o filamento da lâmpada, e à rapidez com que a lâmpada começa a brilhar. Essa explicação está em desacordo com o modelo clássico de corrente.

 

De acordo com o modelo mencionado, o fato de a lâmpada acender quase instantaneamente está relacionado à rapidez com que

a

o fluido elétrico se desloca no circuito.

b

as cargas negativas móveis atravessam o circuito.

c

a bateria libera cargas móveis para o filamento da lâmpada.

d

o campo elétrico se estabelece em todos os pontos do circuito.

e

as cargas positivas e negativas se chocam no filamento da lâmpada.

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Resposta
D
Tempo médio
45 s

Resolução

O problema descreve um circuito elétrico simples em série contendo uma pilha, uma lâmpada e uma chave. Ao fechar a chave, a lâmpada acende quase que instantaneamente. A questão pede a explicação para essa rapidez, de acordo com o modelo clássico de corrente elétrica.

Vamos analisar o processo passo a passo:

  1. Estado Inicial (Chave Aberta): Antes de a chave ser fechada, não há um caminho contínuo para a corrente elétrica fluir. Os elétrons livres existem nos fios condutores e no filamento da lâmpada, mas seu movimento é aleatório e desordenado. Não há campo elétrico estabelecido pela pilha ao longo de todo o circuito.
  2. Fechamento da Chave: No instante em que a chave é fechada, o circuito se completa. A pilha (fonte de tensão) estabelece uma diferença de potencial elétrico entre os terminais do circuito.
  3. Estabelecimento do Campo Elétrico: Essa diferença de potencial cria um campo elétrico que se propaga ao longo de todo o fio condutor e do filamento da lâmpada. Essa propagação ocorre a uma velocidade extremamente alta, próxima à velocidade da luz no vácuo (aproximadamente \(3 imes 10^8 \) m/s).
  4. Movimento dos Elétrons: O campo elétrico exerce uma força sobre os elétrons livres presentes *em todos os pontos* do condutor (fios e filamento). Sob a ação dessa força, os elétrons começam a se mover de forma ordenada, constituindo a corrente elétrica.
  5. Velocidade de Arraste: É importante notar que a velocidade média de deslocamento dos elétrons individuais (velocidade de arraste ou deriva) é, na verdade, muito baixa (da ordem de milímetros por segundo). No entanto, como o campo elétrico se estabelece quase instantaneamente em *todo* o circuito, os elétrons *em todas as partes* do fio e do filamento começam a se mover quase ao mesmo tempo.
  6. Acendimento da Lâmpada: O fluxo de elétrons através do filamento da lâmpada causa colisões com os átomos do material do filamento. Essas colisões transferem energia para os átomos, aquecendo o filamento a ponto de ele emitir luz (incandescência). Como os elétrons no filamento começam a se mover quase imediatamente após o fechamento da chave (devido ao rápido estabelecimento do campo elétrico), a lâmpada acende quase instantaneamente.

Portanto, a rapidez com que a lâmpada acende não se deve à velocidade com que um elétron específico viaja da pilha até a lâmpada (que é lenta), mas sim à velocidade com que o campo elétrico se estabelece por todo o circuito, colocando os elétrons *já presentes* no filamento em movimento quase simultaneamente.

Analisando as alternativas:

  • A, B: Incorretas. A velocidade de deslocamento do "fluido elétrico" ou das cargas negativas (elétrons) é a velocidade de arraste, que é muito baixa.
  • C: Incorreta. A bateria estabelece a ddp e o campo elétrico, mas não "libera" cargas que viajam instantaneamente até a lâmpada. Os elétrons que acendem a lâmpada já estavam no ou perto do filamento.
  • D: Correta. O campo elétrico se estabelece em todos os pontos do circuito com velocidade próxima à da luz, e é ele que comanda o início do movimento dos elétrons em todo o circuito, incluindo o filamento.
  • E: Incorreta. A corrente em metais é fluxo de elétrons (cargas negativas). Embora colisões ocorram (causando o aquecimento), não se trata de choques entre cargas positivas e negativas, e isso não explica a rapidez do acendimento.

A explicação correta, segundo o modelo clássico, é a rapidez com que o campo elétrico se estabelece em todo o circuito.

Dicas

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Pense no que viaja mais rápido em um circuito: a 'ordem' para os elétrons se moverem ou os próprios elétrons?
Considere que os fios e o filamento já estão cheios de elétrons livres antes de ligar a chave.
Lembre-se da diferença entre a velocidade de um sinal eletromagnético (como a luz ou um campo elétrico se estabelecendo) e a velocidade média de partículas individuais (como elétrons).

Erros Comuns

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Confundir a velocidade de propagação do campo elétrico (quase velocidade da luz) com a velocidade de arraste dos elétrons (muito lenta).
Achar que os elétrons viajam da pilha até a lâmpada quase instantaneamente.
Pensar que a bateria 'injeta' elétrons no circuito que se movem rapidamente.
Não compreender que os elétrons responsáveis pelo acendimento da lâmpada já estão presentes no filamento e nos fios próximos a ele, sendo colocados em movimento pelo campo elétrico.
Revisão

Revisão de Conceitos Essenciais

  • Corrente Elétrica: É o movimento ordenado de portadores de carga elétrica (geralmente elétrons em condutores metálicos) devido à aplicação de uma diferença de potencial (ddp) ou tensão.
  • Campo Elétrico em Condutores: Quando uma ddp é aplicada às extremidades de um condutor (como um fio ou filamento), um campo elétrico é estabelecido em seu interior. Este campo exerce força sobre as cargas livres.
  • Velocidade de Propagação do Campo Elétrico: O campo elétrico se propaga ao longo do circuito a uma velocidade muito alta, próxima à velocidade da luz no meio. É essa propagação rápida que "avisa" os elétrons em todo o circuito para começarem a se mover.
  • Velocidade de Arraste (ou Deriva) dos Elétrons: É a velocidade média com que os elétrons se deslocam ordenadamente sob a ação do campo elétrico. Essa velocidade é surpreendentemente baixa (mm/s ou cm/s) devido às constantes colisões dos elétrons com os átomos da rede cristalina do condutor.
  • Circuito Elétrico: Um caminho fechado por onde a corrente elétrica pode fluir, geralmente composto por uma fonte de energia (pilha, bateria), condutores (fios) e dispositivos (lâmpada, resistor, etc.).

A chave para entender o acendimento rápido da lâmpada é diferenciar a velocidade de propagação do sinal (campo elétrico) da velocidade de deslocamento das cargas (elétrons).

20%
Taxa de acerto
Habilidade

Confrontar interpretações científicas com interpretações baseadas no senso comum, ao longo do tempo ou em diferentes culturas.

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