Questão 79 do ENEM 2013 — Ciências da Natureza

Para entender por que uma lâmpada acende quase instantaneamente ao ligarmos o interruptor, precisamos analisar o que realmente acontece em um circuito elétrico segundo o modelo clássico da Física.

Muitas vezes temos a falsa impressão de que os elétrons saem da bateria e viajam rapidamente até a lâmpada para acendê-la. No entanto, a velocidade com que os elétrons se deslocam pelo fio (a velocidade de deriva) é extremamente baixa, na ordem de milímetros por segundo ($\text{mm/s}$). Se dependêssemos do tempo que um elétron leva para sair da bateria e chegar ao filamento, a lâmpada demoraria muito para acender.

O que realmente ocorre é que os fios condutores e o próprio filamento da lâmpada já estão repletos de elétrons livres. Quando fechamos o circuito através da chave interruptora, uma diferença de potencial $U$ é aplicada. Isso faz com que um campo elétrico $\vec{E}$ se estabeleça por todo o circuito de forma quase instantânea, propagando-se a uma velocidade próxima à da luz ($c$).

É esse campo elétrico que atua como um comando, exercendo força elétrica sobre todos os elétrons livres do circuito simultaneamente. Assim, os elétrons que já estavam no filamento começam a se mover no mesmo instante em que a chave é ligada, gerando o efeito Joule (aquecimento e emissão de luz).

Analisando as alternativas:

A) Incorreta. A ideia de fluido elétrico é um conceito histórico ultrapassado, ligado ao modelo de Franklin.

B) Incorreta. As cargas negativas (elétrons) se movem muito lentamente, o que não justifica a rapidez do acendimento.

C) Incorreta. A bateria não precisa enviar cargas até a lâmpada; os elétrons livres já estão presentes em todo o material condutor do circuito.

D) Correta. O campo elétrico se estabelece em todos os pontos do circuito quase à velocidade da luz, fazendo com que as cargas entrem em movimento ordenado simultaneamente.

E) Incorreta. O brilho da lâmpada incandescente ocorre pelo aquecimento do filamento (efeito Joule) devido à passagem da corrente, e não por choque entre cargas positivas e negativas.

Portanto, a rapidez com que a lâmpada acende está diretamente relacionada à velocidade de estabelecimento do campo elétrico.