PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 9 (Física) da 2ª fase do IME 2022

A figura acima apresenta um circuito composto por três baterias de 10\text{ V}, seis resistores idênticos R e três chaves S.
Ao fechar as três chaves simultaneamente, após 20 segundos, o circuito consome 20\text{ kJ} de energia.
Considerando sempre a topologia do circuito original para cada pedido, determine:
a) o valor da resistência de cada resistor R, em \Omega;
b) a potência dissipada no circuito, em \text{W}, se 01 (uma) das baterias tiver seus terminais curto-circuitados; e
c) a potência dissipada no circuito, em \text{W}, se os três resistores da região tracejada do circuito tiverem seus terminais abertos.
Reportar erro na questão
Resolução comentada
a) Percorrendo a malha das três baterias, as polaridades se somam: em cada lado do triângulo da esquerda o sentido é do - para o + no mesmo sentido de percurso. A fem total na malha é 30\ \text{V}.
Os três vértices da malha ligam-se, um a um, aos três vértices do triângulo de resistores. O circuito tem simetria de rotação, então os três nós têm o mesmo potencial. Logo, não passa corrente no triângulo tracejado. A corrente só circula na malha, com três resistores R em série:
A potência dissipada é a energia dividida pelo tempo:
Por outro lado, P=3RI^2=\dfrac{300}{R}. Igualando, R=0{,}3\ \Omega.
R = 0,3 Ω
b) Curto-circuitar uma bateria elimina a fem daquele ramo, que passa a ter só o resistor R. Agora a simetria se perde e é preciso resolver os nós.
Entre cada par de nós T, L e B há um ramo da malha (fem + R) em paralelo com um resistor R do triângulo tracejado. Adotando V_T=0, V_L=x, V_B=y e medindo tensões em volts e correntes em unidades de 1/R:
- ramo T\to L (com bateria): i_{TL}=(10-x)+(0-x)=10-2x
- ramo L\to B (com bateria): i_{LB}=(10+x-y)+(x-y)=10+2x-2y
- ramo B\to T (em curto, só resistência): i_{BT}=2y
Pela conservação de corrente nos nós, i_{TL}=i_{LB}=i_{BT}. Da igualdade i_{TL}=i_{BT}, vem y=5-x. Substituindo em i_{LB}=i_{BT}, vem 10+2x=4y=20-4x, logo x=\dfrac{5}{3} e y=\dfrac{10}{3}.
As correntes nas duas baterias restantes valem:
- T\to L: \dfrac{10-x}{R}=\dfrac{25}{3R}
- L\to B: \dfrac{10+x-y}{R}=\dfrac{25}{3R}
A potência fornecida pelas baterias, que é a dissipada, é:
Conferindo somando RI^2 em todos os resistores, o resultado é o mesmo, \dfrac{500}{3R}.
P = 5000/9 W ≈ 556 W
c) Se os três resistores da região tracejada são abertos, resta só a malha com três baterias e três resistores. Isso é exatamente o que já acontecia no circuito original, porque o triângulo não conduzia corrente. Então:
P = 1000 W
Assuntos: Geradores, receptores e leis de Kirchhoff, Associação de resistores, Potência elétrica e efeito Joule.
Reportar erro na resolução
Ver como caiu na prova
Fonte: IME 2ª fase 2022 · Física. Prova oficial ↗