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
o fluido elétrico se desloca no circuito.
as cargas negativas móveis atravessam o circuito.
a bateria libera cargas móveis para o filamento da lâmpada.
o campo elétrico se estabelece em todos os pontos do circuito.
as cargas positivas e negativas se chocam no filamento da lâmpada.
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:
- 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.
- 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.
- 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).
- 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.
- 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.
- 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
Erros Comuns
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).
Confrontar interpretações científicas com interpretações baseadas no senso comum, ao longo do tempo ou em diferentes culturas.
