Energia e fenómenos elétricos

Exame Nacional 2021, 2.ª fase — item 7.1

As baterias e as pilhas são geradores de tensão contínua.

Considere duas baterias ideais (baterias cujas resistências internas podem ser consideradas nulas) idênticas e dois componentes puramente resistivos, P e Q, de resistências \(8 k\Omega \) e \(24 k\Omega \), respetivamente. Uma das baterias é ligada a P e a outra é ligada a Q.

A energia fornecida a P, relativamente à energia fornecida a Q, num mesmo intervalo de tempo, é

(A) 9 vezes menor.

(B) 3 vezes menor.

(C) 3 vezes maior.

(D) 9 vezes maior.

Exame Nacional 2023, 2.ª fase — item 5.2.1

Submetendo um tubo de descarga com gás di-hidrogénio rarefeito a uma descarga elétrica de alta tensão, é possível, através de um espectroscópio, observar o espectro de emissão daquele elemento.

A diferença de potencial entre os elétrodos nas extremidades do tubo de descarga corresponde à

(A) energia transferida para o gás rarefeito por unidade de carga que o atravessa.

(B) energia transferida para o gás rarefeito por unidade de tempo.

(C) carga transferida para o gás rarefeito por unidade de energia que é absorvida.

(D) carga transferida para o gás rarefeito por unidade de tempo.

Exame Nacional 2025, época especial — item 1.1

A navegação marítima é auxiliada por faróis de sinalização na costa.

As lâmpadas dos faróis têm vindo a ser substituídas por lâmpadas LED, que, em relação às lâmpadas anteriores, têm menor potência e menor resistência elétrica para uma mesma intensidade luminosa.

Para o mesmo intervalo de tempo, as lâmpadas LED, comparativamente às lâmpadas anteriores, consomem

(A) menos energia e dissipam mais energia por efeito Joule.

(B) menos energia e dissipam menos energia por efeito Joule.

(C) mais energia e dissipam menos energia por efeito Joule.

(D) mais energia e dissipam mais energia por efeito Joule.

Exame Nacional 2022, 2.ª fase — itens 4.1, 4.2

Na Figura 5, está esquematizado um processo laboratorial destinado a estudar o aquecimento de uma amostra de água. Montou-se um circuito elétrico com uma pilha, um interruptor e uma resistência de imersão, R. Neste circuito, foram instalados dois aparelhos de medida, um voltímetro e um amperímetro.

a) Qual das opções seguintes pode representar o processo responsável pelo aquecimento da água nesta experiência?

Num ensaio, foi aquecida uma amostra de água durante 10 minutos, usando-se uma resistência de imersão. Mediu-se a diferença de potencial, \(U\), de \(8,17 V\) nos terminais da resistência e a corrente elétrica, \(I\), de \(700 \text{mA}\) no circuito. Admita que estes valores se mantiveram constantes ao longo do ensaio.

b) Qual a energia dissipada pela resistência, por efeito Joule, durante este ensaio?

(A) \(4,9 \text{kJ}\)

(B) \(3,4 \text{kJ}\)

(C) \(1,7 \text{kJ}\)

(D) \(5,7 \text{kJ}\)

Exame Nacional 2019, 2.ª fase — Grupo III, item 1.1

Numa aula laboratorial, os alunos colocaram num calorímetro \(90 g\) de água, na qual mergulharam um fio condutor eletricamente isolado, de resistência elétrica \(R\). Para aquecer a água, fizeram passar nesse fio, durante \(180 s\), uma corrente elétrica \(I\), tendo determinado o aumento da temperatura, \(\Delta T\), da água, nesse intervalo de tempo.

Repetiram a experiência para diferentes valores de corrente elétrica.

Um aluno traçou, a partir dos resultados experimentais obtidos, um gráfico cujo esboço se encontra representado na Figura 2.

Nesse esboço, \(X\) pode representar

(A) \(R\)

(B) \({R}^{2}\)

(C) \(I\)

(D) \({I}^{2}\)

Exame Nacional 2019, época especial — Grupo II, itens 1, 2

A Figura 4 apresenta as curvas características, a \(25{ }^{\circ }C\), de um painel fotovoltaico, para três irradiâncias diferentes. Estas curvas representam a corrente elétrica, \(I\), fornecida pelo painel, em função da diferença de potencial elétrico, \(U\), nos seus terminais.

a) Qual é o esboço do gráfico que pode representar, para uma mesma irradiância, a potência elétrica, \(P\), fornecida pelo painel, em função da diferença de potencial elétrico, \(U\), nos seus terminais?

b) A corrente elétrica fornecida por um painel fotovoltaico para uma resistência exterior nula designa-se por corrente de curto-circuito.

Conclua, com base no gráfico da Figura 4, se a corrente de curto-circuito é (ou não) diretamente proporcional à irradiância.

Mostre como chegou à conclusão solicitada.

Exame Nacional 2020, 2.ª fase — Grupo III, item 2

O circuito elétrico representado na Figura 2 é constituído por um gerador ideal (um gerador cuja resistência interna pode ser considerada nula), um reóstato T e um interruptor.

Conclua como varia a potência dissipada no reóstato T quando a resistência elétrica introduzida por esse reóstato aumenta.

Mostre como chegou à conclusão solicitada.

Exame Nacional 2020, época especial — Grupo III, item 4

Considere o circuito esquematizado na Figura 5, em que \({R}_{1}\) e \({R}_{2}\) representam dois condutores óhmicos e G é um gerador que pode ser considerado ideal (um gerador cuja resistência interna pode ser considerada nula).

Quando o interruptor \({k}_{2}\) está aberto, é medida uma corrente elétrica \(I\) no amperímetro (ideal).

Preveja se a corrente elétrica medida pelo amperímetro aumenta, diminui ou se mantém constante quando se fecha o interruptor \({k}_{2}\).

Mostre como chegou à previsão solicitada.

Exame Nacional 2021, 1.ª fase — item 2.2

Um LED (Light Emitting Diode) é um dispositivo que emite luz com elevada eficiência.

Na Figura 2, representa-se o gráfico da corrente elétrica, \(I\), num LED, em função da diferença de potencial elétrico, \(U\), nos seus terminais (curva característica do LED).

Para se obter a curva característica do LED, montou-se um circuito no qual o LED se encontrava ligado em série a um reóstato e a uma pilha ideal (pilha cuja resistência interna pode ser considerada nula) de força eletromotriz \(4,50 V\). Nesse circuito, introduziram-se ainda dois aparelhos de medida adequados.

Caso os terminais do LED tivessem sido ligados diretamente à pilha, a corrente elétrica seria superior à que o LED suporta e este acabaria por se queimar. Ao introduzir-se o reóstato em série no circuito, a corrente elétrica no LED pode ser controlada.

Determine qual deverá ser o valor da resistência elétrica mínima introduzida pelo reóstato, para que a corrente elétrica no LED não exceda \(20 \text{mA}\).

Apresente todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2023, 1.ª fase — itens 5.4.1, 5.4.2

Durante uma falha de eletricidade no prédio, uma pessoa desce as escadas com uma lanterna a pilhas ligada.

a) [★] No circuito elétrico da lanterna, o sentido real da corrente elétrica é do polo

(A) positivo para o polo negativo da pilha, e a corrente é alternada.

(B) positivo para o polo negativo da pilha, e a corrente é contínua.

(C) negativo para o polo positivo da pilha, e a corrente é alternada.

(D) negativo para o polo positivo da pilha, e a corrente é contínua.

O gráfico da Figura 7 traduz a curva característica da pilha usada na lanterna.

b) [★★] Qual das opções seguintes pode representar as características desta pilha (\(\varepsilon \) e \(r\))?

(A) \(5,5 V\) e \(1,3 \Omega \)

(B) \(5,5 V\) e \(2,3 \Omega \)

(C) \(5,0 V\) e \(1,3 \Omega \)

(D) \(5,0 V\) e \(2,3 \Omega \)

Exame Nacional 2023, época especial — itens 2.2.1, 2.2.2

A verificação experimental de que a resistência elétrica de certos metais variava com a temperatura permitiu o desenvolvimento dos termómetros de resistência (termorresistências).

Uma termorresistência pode ser construída enrolando um fio de cobre que, posteriormente, é percorrido por uma corrente elétrica. O enrolamento do fio de cobre, ao ser mergulhado num líquido a uma determinada temperatura, \(\theta \), acaba por atingir essa temperatura.

As medições da diferença de potencial nos terminais do enrolamento e da corrente elétrica que o percorre permitem obter a resistência elétrica, \(R\), do fio de cobre.

A determinação de \(R\), por sua vez, permite obter a temperatura, \(\theta \), do líquido.

a) [★] Qual dos esquemas seguintes pode representar o circuito elétrico do termómetro de resistência, acima descrito?

O gráfico da Figura 2 mostra a reta de calibração de uma termorresistência.

b) [★★] Admita que o fio de cobre apresenta um comportamento ôhmico e que, depois de entrar em equilíbrio térmico com um líquido a uma certa temperatura, \(\theta \), o fio foi atravessado por uma corrente elétrica de \(36,9 \text{mA}\), estando sujeito a uma diferença de potencial de \(3,00 V\) nos seus terminais.

Determine a temperatura, \(\theta \), do líquido.

Apresente todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2024, 1.ª fase — itens 6.1, 6.2

O desfibrilhador automático externo (DAE) é um aparelho que, através da aplicação de uma descarga elétrica no tórax, permite reverter a paragem cardíaca.

Nos recintos desportivos, o DAE é fundamental para socorrer os atletas em caso de paragem cardíaca.

Considere que uma descarga elétrica transfere uma energia \(E\), quando aplicada a um paciente cujo tórax apresenta uma resistência elétrica \(R\) e é submetido a uma diferença de potencial elétrico \(U\).

a) [★★] A duração dessa descarga elétrica pode ser calculada por

(A) \(\frac{E\times R}{{U}^{2}}\)

(B) \(\frac{{U}^{2}}{E\times R}\)

(C) \(\frac{E}{{U}^{2}\times R}\)

(D) \(\frac{{U}^{2}\times R}{E}\)

b) [★] A corrente elétrica que circula nos fios de cobre do desfibrilhador consiste no movimento de

(A) eletrões livres do polo positivo para o polo negativo.

(B) cargas positivas do polo positivo para o polo negativo.

(C) eletrões livres do polo negativo para o polo positivo.

(D) cargas positivas do polo negativo para o polo positivo.

Exame Nacional 2024, 2.ª fase — item 3.2

Os elementos principais da bateria de chumbo-ácido, usada no automóvel, são placas de chumbo imersas em ácido sulfúrico.

Na Figura 3, estão representados dois voltímetros e a bateria do automóvel que inclui uma associação de seis células idênticas ligadas em série.

Quando a bateria está desligada, a diferença de potencial elétrico aos seus terminais é \(12,00 V\), sendo \(2,00 V\) aos terminais de cada célula. Quando o automóvel está em funcionamento, a corrente elétrica gerada pela bateria é \(40,0 A\), e a diferença de potencial elétrico aos seus terminais é \(9,00 V\).

Qual é a resistência interna da célula 1?

(A) \(7,50\times {10}^{-2} \Omega \)

(B) \(6,00\times {10}^{-2} \Omega \)

(C) \(3,75\times {10}^{-2} \Omega \)

(D) \(1,25\times {10}^{-2} \Omega \)

Exame Nacional 2019, 1.ª fase — Grupo II, item 1.2

As temperaturas foram medidas com um termómetro digital, cujo funcionamento se baseia na variação da resistência elétrica de um fio condutor (constituinte do termómetro) com a temperatura. Para que o termómetro funcione adequadamente, a variação da potência dissipada por efeito Joule, no fio, deve ser desprezável.

Considere que a resistência elétrica do fio aumenta \(3,85 \Omega \) por cada \(10{ }^{\circ }C\) de aumento de temperatura e que, na experiência realizada, o fio foi percorrido por uma corrente constante de \(9,0\times {10}^{-4} A\).

Verifique que, entre \(5,2{ }^{\circ }C\) e \(27,9{ }^{\circ }C\), o aumento da potência dissipada naquele fio foi inferior a \({10}^{-5} W\), sendo, por isso, desprezável.

Apresente todas as etapas de resolução, explicitando todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2020, 1.ª fase — Grupo III, item 3

Na Figura 5, está representado um circuito elétrico com:

– um gerador de força eletromotriz \(9,20 V\) e resistência interna \(2,0 \Omega \);

– um voltímetro ligado nos terminais do gerador;

– dois condutores, A e B, de resistências elétricas \({R}_{A}\) e \({R}_{B}\), sendo \({R}_{A}=3\,{R}_{B}\).

Determine a potência dissipada no condutor A quando o voltímetro marca \(8,74 V\).

Explicite o seu raciocínio, indicando todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2021, época especial — itens 7.1, 7.2

Na Figura 7, está esquematizado um circuito elétrico com os seguintes componentes:

– uma pilha, de força eletromotriz \(9,0 V\) e resistência interna \(1,5 \Omega \);

– três componentes puramente resistivos (\({R}_{1}\), \({R}_{2}\) e \({R}_{3}\)), com a mesma resistência elétrica;

– um amperímetro ideal;

– um interruptor.

a) [★] Qual a diferença de potencial elétrico entre os pontos P e Q quando o interruptor está aberto?

b) [★★★] Com o interruptor fechado, o amperímetro regista \(0,25 A\).

Determine a potência total dissipada nos três componentes puramente resistivos.

Apresente todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2022, época especial — item 5.1.1

No âmbito da agricultura inteligente (ou smart farming), aposta-se na hidroponia, uma técnica de cultivo de espécies vegetais que não necessita de solo e em que se usam ferramentas tecnológicas.

Em hidroponia, utilizam-se circuitos com associações de vários LED que emitem, cada um deles, radiação com um dos comprimentos de onda necessários às plantas (\(430 \text{nm}\) e \(660 \text{nm}\)).

Na Figura 6, representam-se curvas características de dois tipos de LED, X e Y, que poderão ser utilizados em iluminação em estações hidropónicas.

Para testar a adequação de dois LED, 1 e 2, montou-se um circuito elétrico no qual estes foram associados em paralelo com uma pilha ideal (de resistência interna nula) de força eletromotriz \(9,0 V\).

O circuito elétrico inclui ainda um aparelho de medida (amperímetro) e duas resistências elétricas, R e outra, de \(360 \Omega \), de acordo com a Figura 7.

Para preservar a longevidade e o bom funcionamento dos LED, a corrente elétrica que atravessa cada LED não pode exceder \(20 \text{mA}\).

Dada esta condição, para uma corrente elétrica de \(40 \text{mA}\), lida no amperímetro, o valor de R é

(A) \(280 \Omega \), e o LED 2 corresponde ao LED Y da Figura 6.

(B) \(225 \Omega \), e o LED 2 corresponde ao LED Y da Figura 6.

(C) \(280 \Omega \), e o LED 2 corresponde ao LED X da Figura 6.

(D) \(225 \Omega \), e o LED 2 corresponde ao LED X da Figura 6.

Exame Nacional 2025, 1.ª fase — itens 7.2.1, 7.2.2

Para verificar se a resistência elétrica de um LED permanece constante, montou-se o circuito elétrico representado na Figura 5, composto por um gerador ideal, G, de diferença de potencial regulável entre \(0,0 V\) e \(6,0 V\), um LED e uma resistência, R. Estão também representados dois aparelhos de medida: um voltímetro e um amperímetro.

a) [★★] O fabricante recomenda que este LED seja percorrido por uma corrente de \(10 \text{mA}\). Nesta situação, a diferença de potencial aos terminais do LED é \(1,7 V\).

De modo a respeitar as recomendações para o uso do LED, quando o gerador fornece a diferença de potencial máxima, deve ser utilizada uma resistência, R, de

(A) \(7,7\times {10}^{2} \Omega \)

(B) \(6,0\times {10}^{2} \Omega \)

(C) \(4,3\times {10}^{2} \Omega \)

(D) \(1,7\times {10}^{2} \Omega \)

As medições da diferença de potencial aos terminais do LED, \(U\), e da corrente elétrica, \(I\), que o atravessa apresentam-se na tabela seguinte.

b) [★★★] Verifique se a resistência elétrica do LED permanece constante no intervalo de diferenças de potencial considerado na tabela.

Na sua resposta, apresente o esboço de um gráfico que relacione \(U\) com \(I\) e justifique a sua conclusão com base nesse esboço.

Exame Nacional 2026, 1.ª fase — itens 7.1, 7.2

A Figura 5 esquematiza, de forma simplificada, um acumulador, estando representadas apenas duas placas, uma de dióxido de chumbo, \({\text{PbO}}_{2}\left( s \right)\), e outra de chumbo, \(\text{Pb}\left( s \right)\), mergulhadas numa solução aquosa de ácido sulfúrico, \({H}_{2}{\text{SO}}_{4}\left( \text{aq} \right)\).

No destaque lateral, estão esquematizados os reagentes e os produtos da reação que ocorre na placa de chumbo e que pode ser traduzida por

\[\text{Pb}\left( s \right)+{H}_{2}{\text{SO}}_{4}\left( \text{aq} \right)\to {\text{PbSO}}_{4}\left( s \right)+2\,{e}^{-}+2\,{H}^{+}\left( \text{aq} \right)\]

a) [★] Quando o acumulador se encontra ligado a um circuito elétrico fechado, os portadores de corrente elétrica, nas placas de chumbo, são __________ e, na solução de ácido sulfúrico, são __________.

(A) iões … eletrões

(B) eletrões … também eletrões

(C) iões … também iões

(D) eletrões … iões

b) [★★★] A reação química que ocorre na placa de chumbo permite que, por cada mole de \(\text{Pb}\left( s \right)\) que se oxida, sejam libertadas \(2,0 \text{mol}\) de eletrões para o circuito elétrico exterior, como se esquematiza na Figura 5.

Quando a bateria está a fornecer energia a um circuito elétrico, de resistência elétrica \(800 \Omega \), a diferença de potencial elétrico aos seus terminais é \(12 V\).

O módulo da carga do eletrão é \(1,602\times {10}^{-19} C\).

Determine a massa de \(\text{Pb}\left( s \right)\) que reage durante 30 minutos de funcionamento da bateria.

Apresente todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2026, 2.ª fase — itens 8.1, 8.2

A Figura 5 esquematiza um circuito elétrico composto por uma pilha, por três resistências, \({R}_{1}\), \({R}_{2}\) e \({R}_{3}\), e por um amperímetro ideal.

A curva característica da pilha instalada neste circuito elétrico é a que se apresenta no gráfico da Figura 6.

a) [★] Antes da montagem do circuito, ligou-se um voltímetro aos terminais da pilha, tendo sido lido o valor

(A) \(0,0 V\).

(B) \(2,0 V\).

(C) \(4,0 V\).

(D) \(6,0 V\).

b) [★★★] Considere que, no circuito representado na Figura 5, o amperímetro regista uma corrente elétrica de \(0,40 A\) e que \({R}_{1}\) e \({R}_{2}\) apresentam, cada uma, uma resistência elétrica de \(8,0 \Omega \).

Determine a resistência elétrica de \({R}_{3}\).

Comece por determinar a resistência interna da pilha.

Apresente todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2026, época especial — item 1.3

A utilização de cordas com nós para medir a velocidade das embarcações foi sendo abandonada à medida que se desenvolveram equipamentos elétricos para a mesma função, como, por exemplo, sensores eletromagnéticos mergulhados na água.

Considere que o sensor se pode equiparar a um elemento de circuito elétrico, puramente resistivo, que recebe uma potência elétrica de \(2,0 W\) quando sujeito a uma diferença de potencial elétrico constante, \(U\).

Devido ao contacto com a água salgada, os terminais do sensor ficam oxidados, aumentando a resistência elétrica do circuito e levando a uma diminuição de \(10\%\) da potência recebida pelo sensor, mantendo-se a diferença de potencial elétrico \(U\).

Determine o aumento percentual da resistência elétrica do circuito após a oxidação dos terminais do sensor.

Apresente todos os cálculos efetuados.