Questão 112 do ENEM 2021 — Ciências da Natureza

ENEM 2021Ciências da NaturezaPPL

Baterias são dispositivos que acumulam energia e estão presentes em inúmeros aparelhos portáteis. Uma bateria ideal não possui resistência interna. Entretanto, baterias reais apresentam resistência interna disponibilizando uma tensão efetiva $V$ inferior à sua tensão nominal $\mathcal{E}$, conforme a figura. Uma vez que se sabe o valor da tensão nominal da bateria, determina-se sua carga pelo conhecimento da corrente $i$ enquanto está conectada a um circuito de resistência $R$, de tensão efetiva $V$, e da resistência interna $r$ da bateria.

Esquema de uma bateria real representada por uma fonte de tensão nominal E em série com uma resistência interna r, envoltas por uma linha tracejada.
De posse de um voltímetro, de um amperímetro e de uma resistência-teste R, a configuração adequada para avaliar a carga da bateria é:
Circuito com voltímetro em paralelo à bateria e amperímetro em série com a resistência R.
Resposta correta
B
Circuito com resistência R, amperímetro e voltímetro todos em paralelo com a bateria.
C
Circuito com amperímetro em paralelo à bateria e voltímetro em série com a resistência R.
D
Circuito com resistência R, amperímetro e voltímetro todos em série com a bateria.
E
Circuito com voltímetro, amperímetro e resistência R, cada um em um ramo paralelo diferente conectado à bateria.
Gabarito oficial: alternativa A

Resolução comentada

Antes de escolher o circuito, é preciso recordar como cada instrumento de medida deve ser conectado para funcionar sem atrapalhar aquilo que está sendo medido.

O amperímetro mede corrente — vai em série

O amperímetro mede a corrente elétrica ii que atravessa um trecho do circuito. Para que a corrente que ele indica seja exatamente a que passa pelo componente de interesse, ele precisa estar no mesmo caminho dessa corrente, ou seja, ligado em série com o componente. Além disso, um amperímetro ideal tem resistência interna praticamente nula, para não alterar a corrente que pretende medir. Como aqui queremos a corrente ii que percorre a resistência-teste RR, o amperímetro deve ficar em série com RR.

O voltímetro mede tensão — vai em paralelo

O voltímetro mede a diferença de potencial (tensão) entre dois pontos. Ele deve ser ligado em paralelo com o trecho cuja tensão se quer conhecer. Um voltímetro ideal tem resistência interna altíssima (idealmente infinita), de modo a praticamente não desviar corrente para si. Como o objetivo é medir a tensão efetiva VV disponibilizada nos terminais da bateria, o voltímetro deve ser ligado em paralelo com a bateria.

O que a leitura permite

Com VV lido no voltímetro (tensão efetiva nos terminais) e ii lido no amperímetro, e conhecendo a tensão nominal E\mathcal{E}, é possível relacionar essas grandezas por

E=V+r i,\mathcal{E} = V + r\,i,

ou seja, a tensão efetiva é a tensão nominal menos a queda r ir\,i na resistência interna. Assim, medindo VV e ii chega-se às informações necessárias para avaliar a bateria.

Escolhendo o circuito

Procuramos, então, o diagrama em que o voltímetro está em paralelo com a bateria e o amperímetro está em série com a resistência RR. A alternativa A apresenta exatamente essa montagem: o voltímetro VV ligado em paralelo aos terminais da bateria e o amperímetro AA no mesmo ramo de RR, em série com ela.

De modo geral, as demais montagens contêm erros de ligação como colocar o amperímetro (de resistência quase nula) em paralelo com a fonte, o que provoca curto-circuito, ou colocar o voltímetro (de resistência altíssima) em série no caminho principal, o que praticamente interrompe a corrente. Só a configuração descrita acima realiza as duas medidas corretamente.

Portanto, a resposta é a alternativa A.

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Fonte: prova oficial do ENEM 2021 (INEP). Resolução comentada pela equipe do Alvo ENEM.