Questão 9 (Física) da 2ª fase do ITA 2024

a) A força eletromotriz é a tensão entre os terminais quando não circula corrente, isto é, quando I=0 (circuito aberto). No gráfico, a curva cruza o eixo de tensão em V\approx 46\ \text{V}.

\varepsilon \approx 46\ \text{V}

b) Com a resistência R ligada, o ponto de operação do painel precisa obedecer a duas condições ao mesmo tempo: estar sobre a curva I\times V do painel e satisfazer a lei de Ohm, V=RI. Esta segunda condição é uma reta que passa pela origem, com I=V/R. O ponto de operação é a interseção dessa reta com a curva.

1. R=2{,}5\ \Omega: se I\approx 8{,}2\ \text{A}, então V=2{,}5\cdot 8{,}2\approx 20{,}5\ \text{V}. Esse ponto está no patamar da curva, onde a corrente é constante, então a interseção é aí: I\approx 8{,}2\ \text{A}.
2. R=5\ \Omega: a reta é I=V/5. No patamar, I=8{,}2\ \text{A} exigiria V=41\ \text{V}, que já está fora do patamar. Testando pontos da curva: em V=38\ \text{V} a curva dá 8{,}0\ \text{A} e a reta dá 7{,}6\ \text{A}; em V=40\ \text{V} a curva dá 7{,}5\ \text{A} e a reta dá 8{,}0\ \text{A}. As duas se cruzam em V\approx 39\ \text{V}, com I\approx 7{,}8\ \text{A}.
3. R=10\ \Omega: a reta é I=V/10. Em V=42{,}5\ \text{V} a curva dá 6\ \text{A} e a reta dá 4{,}25\ \text{A}, então a curva ainda está acima da reta. Em V=44\ \text{V} a curva dá cerca de 4\ \text{A} e a reta dá 4{,}4\ \text{A}, então a curva já passou para baixo. A interseção fica em V\approx 43{,}7\ \text{V}, com I\approx 4{,}4\ \text{A}.

Os valores lidos no gráfico têm incerteza de cerca de \pm 0{,}2\ \text{A}.

I\approx 8{,}2\ \text{A} (2,5 Ω); I\approx 7{,}8\ \text{A} (5 Ω); I\approx 4{,}4\ \text{A} (10 Ω)

c) A potência fornecida é P=V\cdot I(V), com I(V) lido na curva do gráfico.

• Em V=0 (curto-circuito), P=0.
• No patamar, de 0 a cerca de 37\ \text{V}, I\approx 8{,}2\ \text{A} é constante, então P\approx 8{,}2\,V cresce linearmente até cerca de 300\ \text{W}.
• Perto do joelho da curva, os valores são: V=38\ \text{V}, P\approx 8{,}0\cdot 38\approx 304\ \text{W}; V=39\ \text{V}, P\approx 7{,}8\cdot 39\approx 304\ \text{W}; V=40\ \text{V}, P\approx 7{,}5\cdot 40=300\ \text{W}.
• Depois do joelho, I despenca. Em V=44\ \text{V}, P\approx 4\cdot 44\approx 176\ \text{W}, e em V\approx 46\ \text{V} (circuito aberto, I=0), P=0.

O esboço é uma subida quase reta a partir da origem, um máximo arredondado e uma queda rápida até zero em 46\ \text{V}.

Potência nula em V=0 e em V\approx 46\ \text{V}. Há um único ponto de potência máxima, P_{\text{máx}}\approx 3\times10^{2}\ \text{W}, em V\approx 38 a 39\ \text{V}, junto ao joelho da curva. Isso corresponde a R\approx 5\ \Omega.

P=0 em V=0 e V\approx46\ \text{V}; máximo de \approx 300\ \text{W} em V\approx 38–39\ \text{V}

Assuntos: Geradores, receptores e leis de Kirchhoff, Resistência elétrica e leis de Ohm, Potência elétrica e efeito Joule.

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