Caravana RGE – Educando para a eficiência Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Material complementar para a oficina ministrada pelo professor Alex Soares Vieira abrangendo conceitos físicos e estratégias didáticas. 2014 Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Sumário Objetivos da oficina ........................................................................................................................................... 2 Objetivos específicos ..................................................................................................................................... 2 Metodologia para a oficina e para as aulas ....................................................................................................... 2 P.O.E. ............................................................................................................................................................. 2 Conteúdo programático .................................................................................................................................... 3 Experimentos realizados na oficina ............................................................................................................... 3 Bússola:...................................................................................................................................................... 3 Fusível de palha de aço:............................................................................................................................. 5 Eletroímã: .................................................................................................................................................. 6 Motor elétrico: .......................................................................................................................................... 7 Demonstrações realizadas na oficina ............................................................................................................ 9 Campo magnético da Terra: ...................................................................................................................... 9 Efeito Joule em salsichas: ........................................................................................................................ 10 Bloqueando sinais de rádio: .................................................................................................................... 11 Criando ondas de rádio: .......................................................................................................................... 12 Pilhas de limões e batatas: ...................................................................................................................... 13 Circuitos elétricos em série e paralelo: ................................................................................................... 15 Gerador.................................................................................................................................................... 19 Texto de apoio ................................................................................................................................................. 21 Corrente elétrica.......................................................................................................................................... 21 O que é uma corrente elétrica? ............................................................................................................... 21 Glossário .......................................................................................................................................................... 24 Referências bibliográficas ................................................................................................................................ 24 Livros............................................................................................................................................................ 24 Sites com textos diversos ............................................................................................................................ 25 Sites com materiais diversos ....................................................................................................................... 25 Experimentos e demonstrações .................................................................................................................. 25 Simulações ................................................................................................................................................... 25 I Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Objetivos da oficina Atualmente a grande maioria das pessoas tem acesso facilitado a informações devido à leitura de livros e jornais, à televisão ou rádio e ao uso de computadores. Por esse fato, os professores devem conseguir cativar os alunos de alguma forma, tendo um papel que vá além da simples transmissão de informações. Os professores de hoje em dia devem buscar novas formas abordar conceitos, não apresentando uma coletânea de informações, mas propondo novas formas de ver o mundo para os alunos, sejam com o uso de experimentos ou aplicações no cotidiano dos conceitos. Ou seja, o professor deve buscar apresentar aos alunos novas situações para a aplicação de conceitos que os cativem. Visto que a ideia por trás da ciência é exatamente essa: despertar a curiosidade para que se possa olhar de perspectivas diferentes aquilo que parece comum. Dessa forma, o "grande lance" não é se ter boas respostas, mas se ter excelente perguntas, é neste ponto que tudo começa, é neste ponto que se inicia isso que chamamos de ciência. Objetivos específicos De modo a contribuir para essa visão sobre o objetivo das aulas de ciências no currículo escolar, os objetivos desta oficina em específico são: 1) Fornecer aos professores subsídios para que possam, de maneira simples, abordar conceitos de eletromagnetismos em sala de aula; 2) Apresentar a montagem e utilização de experimentos com materiais de fácil aquisição, abordando conceitos de eletromagnetismo e segurança (em se tratando do uso e manipulação de correntes elétricas) e/ou simulações computacionais que substituam estes experimentos; 3) Discutir estratégias de implementação para experimentos; 4) Debater questões ligadas à segurança em se tratando de energia elétrica. Metodologia para a oficina e para as aulas P.O.E. Uma estratégia de ensino adequada quando utilizamos demonstrações ou experimentos (reais ou virtuais) é a chamada metodologia P.O.E. (predizer, observar e explicar). Os passos para o P.O.E. são: Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira 1. Os alunos devem fazer uma predição à respeito da questão colocada (sem utilizar qualquer recurso ou consulta), explicando os resultados esperados; 2. Em seguida os alunos devem utilizar os recursos (ou materiais), explorando ao máximo suas possibilidades, de modo a respondes as questões; 3. Por fim, os alunos devem explicar as diferenças entre as predições e as observações realizadas. E especificamente ligados a experimentos associados aos conteúdos de eletromagnetismo e segurança (em se tratando do uso e manipulação de correntes elétricas) apresentam-se satisfatórios quanto ao ensino-aprendizagem ao passo que os conceitos são muitas vezes abstratos demais para os alunos e que esse tipo de estratégia didática fornece aos alunos uma forma de aplicá-los e testar seus modelos ou conhecimentos sobre o assunto. Deste modo, o P.O.E. pode ser utilizado para fazer os alunos reconhecer grandezas físicas, ler e interpretar tabelas, gráficos, esquemas e outros tipos de representações. O aluno ainda tornase capaz de relacionar os diferentes tipos de representação elaborando e expressando argumentos, maneira clara e com uma linguagem adequada, sobre resultados dos experimentos ou de situações-problema, de tal forma que as argumentações sejam consistentes com as previsões realizadas sobre os modelos explicativos desenvolvidos, indicando, ainda, um juízo de valor quando a situação assim permitir. Conteúdo programático Abaixo são listados os experimentos que serão realizados durante essa oficina, bem como as demonstrações apresentadas. Juntamente com os materiais e os esquemas de montagem são apresentadas breves discussões sobre os conceitos relevantes em cada situação. Por fim, questões envolvendo a aplicação do material em sala de aula são propostas. Experimentos realizados na oficina Bússola: Materiais: Um clipe de metal, um imã, um tigela, um pedaço de papel e água. Montagem: Desdobre o clipe e quebre-o. Esfregue o imã no clipe sempre no mesmo sentido cerca de 200 vezes (quando o clipe atrair o outro pedaço de clipe estará pronto). Coloque o pedaço de papel sobre a água e, por fim coloque o clipe sobre o papel. Nem sempre temos acesso a todos os itens que gostaríamos e precisamos para explorar e explicar o comportamento de circuitos elétricos. Para contornar esse problema podemos utilizar simulações computacionais. Uma excelente simulação para explorar circuitos elétricos é a criada pelo Phet Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira (Physics Education Technology), que é um grupo de pesquisa em ensino de ciências com foco em simulações. Com a simulação presente em http://phet.colorado.edu/sims/faraday/magnets-and-electromagnets_pt_BR.jnlp você pode simular o comportamento de uma bússola nas proximidades de um ímã, de um eletroímã e do planeta Terra. Conceitos a serem lembrados: Uma bússola é um pequeno imã que pode girar livremente se orientando conforme um campo magnético externo. Esse campo externo pode ser o de outro imã ou o da Terra; Um imã pode atrair alguns tipos de metais; Imãs têm dois polos: norte e sul; Ao serem quebrados, cada pedaço torna-se um imã com polo norte e polo sul, ou seja, nunca ficamos somente com um polo em um pedaço de imã; N S N S N S Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira S N S N N S N S N S O campo magnético é mais forte nos polos de um imã; As linhas de campo magnético vão do polo norte até o polo sul de um imã; Polos iguais de um imã se repelem e polos S N S N contrários se atraem. Proposta de questões a serem feitas aos alunos: Se polos iguais se repelem porque o polo norte da bússola aponta para o norte? Porque existem metais que os imãs não atraem? O que torna um imã forte? Se não existe o campo magnético da Terra para onde uma bússola apontaria? Fusível de palha de aço: Materiais: Um terço de pacote de palha de aço (Bombril), uma pilha, 20 centímetros de fio de cobre. Montagem: Pegue um pedaço de palha de aço e enrole formando “uma cobra”. Coloque cada um dos lados em um dos terminais da bateria. Conceitos a serem lembrados: A causa e a fonte de voltagem em um circuito elétrico é o gerador. Já a intensidade da corrente elétrica não depende apenas da voltagem, mas também da resistência elétrica que o condutor oferece à passagem de corrente elétrica; Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Em um circuito elétrico, a finalidade dos resistores é limitar a intensidade da corrente elétrica. Essa limitação se dá devido à dissipação de energia elétrica em forma de calor, luz, etc.; A resistência de um condutor depende do comprimento, da espessura e do material de que é feito o condutor; Fusíveis são dispositivos (resistores) projetados de tal forma que ao serem percorridos por correntes elétricas maiores que determinados valor se rompem devido ao efeito joule do material de que são construídos; Efeito Joule ou efeito térmico é a transformação da energia elétrica em energia térmica devido às colisões dos elétrons. Ferro elétrico, chuveiro, lâmpada incandescente, etc. são exemplos de equipamentos que se utilizam desse efeito. Fusíveis são utilizados para proteção de equipamentos eletroeletrônicos, assim quando a corrente ultrapassa determinado valor apenas o fusível (que é um componente barato) estraga ao invés de todo o equipamento. Proposta de questões a serem feitas aos alunos: Se os fusíveis queimam quando a corrente elétrica atinge determinado valor porque os disjuntores funcionam novamente? Qual o objetivo de utilizarmos fusíveis se eles sempre estragam? Eletroímã: Materiais: Um prego de ferro (com mais de 5 centímetros de comprimento), aproximadamente 2 metros de fio de cobre esmaltado (tamanho 20 a 30), uma bateria de 9 volts, 1 lixa (papel lixa), alguns clipes de metal. Montagem: Enrole, em um prego, um pedaço de fio de cobre no prego (colocando uma volta do lado da outras pouco espaçadas). Deixe cerca de 5 cm de fio de cobre sobrando de cada lado. Lixe com o papel-lixa as pontas do fio. Enrole cada um dos lados de fio em um contato da bateria e coloque próximo a uma bússola ou próximo de alguns clipes de metal. Conceitos a serem lembrados: Quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica este passa a apresentar um campo magnético ao seu redor, ou seja, passa a se comportar como um imã. Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira A intensidade do campo magnético é mais forte quanto mais próxima do fio. Além disso, ele também é maior quanto maior é a corrente que passa pelo fio. Assim como um clipe grudado em um imã pode atrair outros clipes, ao colocar um objeto de ferro no interior de uma bobina (fio enrolado várias vezes) esse aumenta a magnitude do campo magnético (o eletroímã ficará mais forte) devido ao alinhamento dos imãs elementares no interior do material (vide suscetibilidade magnética). Por meio da regra da mão direita podemos saber para que direção aponta o campo magnético. Os 4 dedos seguem o sentido da corrente elétrica e o dedão mostra o sentido do polo norte da bobina. http://www.geocities.ws/saladefisica7/funciona/motoreletrico41.jpg Proposta de questões a serem feitas aos alunos: Se os eletroímãs fazem o mesmo que os imãs porque os usaríamos? Como podemos tornam um eletroímã mais forte? Qual o papel do prego no eletroímã? Eletroímãs são utilizados em algum lugar? Com que finalidade? Motor elétrico: Materiais: Um imã, uma pilha grande, 2 clipes de metal, um atilho (elástico de dinheiro), aproximadamente 1 metro de fio de cobre esmaltado (tamanho 20 a 30), uma lixa (papel lixa), um canudo de rolo de papel higiênico vazio. Montagem: Enrole cerca de 7 voltas de fio de cobre em um cano de PVC deixando cerca de 5 cm de fio em cada um dos lados. Dê três voltas, com os 5 cm que restaram em cada lado, em torno da bobina criada (para mantê-la firme). Lixe, com papel-lixa, uma das pontas do fio (completamente) e a outra apenas de um dos lados. Desdobre o clipe de modo que você possa encaixá-lo na bateria e que possa colocar a bobina sobre. Coloque a bobina sobre o clipe e dê um leve giro. Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Conceitos a serem lembrados: Sempre que cargas elétricas se movimentam em um campo magnético elas sofrem a ação de uma força: a força magnética. Esta força age perpendicularmente tanto sobre o vetor velocidade da carga quanto sobre o vetor campo magnético. A direção da força pode ser obtida pela regra da mão direita. Velocidade A trajetória é vretilínea v Fm é nula A trajetória é helicoidal F ≠0 v B m A trajetória é circular F é máxima m Quando fazemos uma corrente elétrica percorrer fios também podemos ter uma força magnética sobre estes (os fios). Lembre-se: corrente elétrica é o fluxo ordenado de cargas (elétrons). A regra da mão direita é alterada: Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira http://crv.educacao.mg.gov.br/SISTEMA_CRV/banco_objetos _crv/%7BE9292CD9-4D56-43B0-A9A3A81EBFF1B597%7D_fig32.jpg Uma bobina percorrida ao ser percorrida por corrente apresenta um campo magnético que pode interagir com outros campos magnéticos. Da mesma forma que dois ímãs podem se atrair ou repelir, um imã e um eletroímã também o podem. É isso o que ocorre no motor elétrico. Quando corrente passa pela bobina o campo magnético do eletroímã interage com o campo magnético do imã fazendo com que a bobina gire. Proposta de questões a serem feitas aos alunos: Quais as vantagens e desvantagens em se utilizar um motor elétrico? Que tipo de equipamentos utilizam motores elétricos? Como poderíamos tornar o motor elétrico deste experimento mais potente? Porque apenas um lado de uma das pontas do fio da bobina é lixado enquanto que a outra ponta tem todos os lados lixados? Demonstrações realizadas na oficina Campo magnético da Terra: Materiais: Uma bússola, um imã em barra, uma bolinha de isopor maciça, um estilete, cola quente, aproximadamente 20 clipes de metal, canetinhas coloridas. Montagem: Corte a bola de isopor ao meio e, usando um estilete, retire um pouco de isopor do interior da bola (do mesmo tamanho de um imã em barra). Coloque o imã dentro do isopor e cole os lados do deste. Por fim desenhe e pinte uma representação da Terra. Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Conceitos a serem lembrados: O campo magnético da Terra é gerado pelo movimento da parte líquida do núcleo da Terra, que é composta por diferentes metais; Por convenção o polo norte geográfico da Terra corresponde ao polo sul magnético da mesma; Existe uma diferença de pouco mais de 11° entre a posição dos polos magnéticos e geográficos do planeta; Devido ao campo magnético do planeta, radiações vindas do Sol não chegam até nós, o que torna a vida na Terra possível; Devido aos polos norte e sul magnéticos estarem localizados onde estão somente nesses locais é possível ver as auroras, sendo elas devido às radiações vindas do Sol. Proposta de questões a serem feitas aos alunos: Se polos iguais se repelem porque o polo norte da bússola aponta para o norte? Porque existem metais que os imãs não atraem? O que gera o campo magnético da Terra? Existe um enorme imã em barra no interior da Terra? Qual a importância do campo magnético da Terra? Efeito Joule em salsichas: Materiais: 4 salsichas, 1 lâmpada de 60 Volts, dois garfos, 2 jacarés, fio com plugue para tomada, 3 leds. Montagem: Descasque as extremidades de um fio e coloque um plugue de tomada em um dos lados. Enrole a outra ponta em garfos de metal (de preferência com a ponta de madeira ou plástico), cravando-os nas extremidades de uma salsicha. Ligue o plugue na tomada e introduza leds na salsicha. Conceitos a serem lembrados: Além do efeito Joule existem outros efeitos causados pela passagem de corrente elétrica em um objeto. o Efeito magnético: quando um condutor é percorrido por corrente elétrica este gera um campo magnético, ou seja, apresenta propriedades como os imãs. Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Efeito luminoso: ocorre quando a corrente elétrica excita moléculas de um gás provocando a emissão de radiação (infravermelho, visível, etc.). Este efeito ocorre nas lâmpadas fluorescentes, por exemplo. o Efeito químico: separação de uma substância em íons (cátions e ânions). Este efeito provoca a eletrólise da água e é aplicado na galvanização de metais. o Efeito fisiológico: quando uma corrente elétrica passa por um organismo animal, ocorrem contrações musculares, devido ao fato de que os impulsos nervosos são transmitidos através de estímulos elétricos. O choque elétrico pode causar desde um leve formigamento até a morte dependendo de sua intensidade. A diferença de potencial fornecida pela fonte de energia (tomada) é totalmente convertida em outro tipo. No caso da salsicha, temos um aumento de temperatura. A cada pequeno pedaço da salsicha, temos uma queda de potencial associada, ou seja, os 220 V da tomada são convertidos em energia térmica pela salsicha ao longo do tempo a cada centímetro desta. o 220V 55V 55V 55V 55V Proposta de questões a serem feitas aos alunos: Porque os leds acendem ou não dependendo de como são colocados na salsicha? Porque a salsicha cozinha? Porque não utilizamos sempre esse mesmo princípio para cozinhar alimentos? Se o que acontece com a salsicha acontece no corpo humano, isso significa que leds cravados em uma pessoa durante um choque também acendem? Bloqueando sinais de rádio: Materiais: 30 centímetros de filme plástico de PVC, 30 centímetros de papel alumínio, 2 folhas de papel A4 (ou outro tipo). Montagem: Enrole um rádio ligado (envolvendo-o completamente) com uma folha de papel, um pedaço de filme plástico e um pedaço de papel alumínio. Conceitos a serem lembrados: Um sinal de rádio é composto por um campo elétrico e um campo magnético combinados em uma única onda. Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira No interior de um condutor em equilíbrio eletrostático, ou seja, pelo qual não passa corrente elétrica, não existe campo elétrico. Assim o campo elétrico pode ser bloqueado por um condutor, mais especificamente no interior de um condutor. Proposta de questões a serem feitas aos alunos: Em muitas casas de detenção (presídios) são utilizados sistemas para bloquear celulares (que também utilizam ondas de rádio, assim como os televisores, radares, GPS, etc.). Como poderíamos bloquear esses sinais de uma maneira mais barata? Porque ficamos sem sinal em elevadores ou dentro de alguns prédios? Aviões são feitos de metal, mas celulares funcionam em aviões, por quê? Criando ondas de rádio: Materiais: Lima de metal (imagem abaixo), um rádio AM, uma bateria de 9 Volts, aproximadamente 1 metro de fio de cobre encapado. Montagem: Ligue dois fios nos terminais de uma bateria. Pegue uma lima enrole um dos fios nesta. Com o outro fio raspe a lima ao longo do seu comprimento. Para uma determinada frequência de rádio (AM) você escutará um chiado muito alto. Esse chiado é o sinal criado. Conceitos a serem lembrados: Assim como dito anteriormente, sinais de rádio são criados sempre que um campo elétrico ou um campo magnético variam ao longo do tempo. Um campo elétrico pode ser variado, por exemplo, ao se mudar a intensidade da corrente elétrica em um circuito. Por outro lado, a corrente elétrica em um circuito pode mudar quando variamos, por exemplo, a resistência do circuito. Por fim, a resistência de um circuito pode mudar quando mudamos o tamanho desta (ao mover o fio cobre a lima). Já que a resistência elétrica depende do comprimento do resistor, de sua espessura e do material de que é feito. Quando uma corrente elétrica passa por um condutor sólido, um número muito grande de elétrons livres se desloca nesse condutor. Os elétrons livres colidem entre si e contra os átomos que formam o condutor. Devido a essas colisões existe uma resistência à passagem de corrente elétrica. A grandeza Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira física que mede essa dificuldade ou resistência à passagem de corrente elétrica é chamada resistência elétrica. A resistência elétrica de um condutor depende da sua espessura, do seu comprimento e da condutividade elétrica do material de que é constituído o condutor (a condutividade está relacionada ao número de portadores de carga). A resistência elétrica também depende da temperatura. Quanto maior a temperatura, maior a agitação das partículas do condutor e, portanto, maior a resistência. A resistência elétrica de um condutor é definida por: R V i Proposta de questões a serem feitas aos alunos: Porque o ruído é percebido melhor para algumas estações? Se o ruído são ondas de rádio, porque no rádio podemos ouvir música e com o experimento não? Se rádio, TV, celular, GPS, entre outros, utilizam as mesmas ondas porque uns não interferem com os outros e porque não ouvimos um ruído nesses outros equipamentos ao utilizar o experimento? Pilhas de limões e batatas: Materiais: 1 relógio à pilha qualquer, 4 pregos galvanizados, 4 moedas de 5 centavos, aproximadamente 3 metros fios de fio de cobre encapado, 3 limões, 2 batatas e 10 jacarés (imagem abaixo). Montagem: Aperte dois ou três limões para obter um pouco de suco. Crave uma moeda de 5 centavos e um prego galvanizado em cada limão. Utilize um voltímetro para observar a d.d.p. obtida, lembrando que a d.d.p. de uma pilha comum é de 1,5 V. Por fim, você pode ligar vários limões em série para obter uma d.d.p. maior e ligar um rádio. Obs.: o mesmo pode fazer com batatas, corte-as ao meio e repita os passos. Conceitos a serem lembrados: Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Geradores e Receptores A eletricidade que utilizamos em nossas casas é gerada em usinas que produzem energia elétrica em grandes quantidades. Ela é, então, distribuída às casas, aos prédios, às indústrias e às lojas por meio da rede de distribuição da RGE (no norte do estado). Para produzirmos energia elétrica precisamos provocar uma separação espacial entre as cargas positivas e as negativas e, para fazer isso é necessário que convertamos outra forma de energia em energia elétrica. Esse processo pode ser feito ao atritar materiais diferentes, movimentando imãs próximos a fios condutores ou vice-versa, expondo certos materiais à radiação (luz) ou em processos químicos (pilhas e baterias). Pilhas, baterias e tomadas podem ser vistas como fontes de energia elétrica. Em 1796, Alessandro Volta (físico italiano), construiu o 1º gerador químico capaz de produzir um fluxo de cargas elétricas por um intervalo de tempo longo. Uma pilha é composta simplesmente por dois metais diferentes mergulhados em uma substância ácida (por isso o uso de limões um prego e uma moeda). Existem diferenças ao se associar pilhas e baterias: Tipo de associação Série Paralelo Forma de associação Característica Maior tensão (3 x 1,5V = 4,5V) Maior durabilidade Proposta de questões a serem feitas aos alunos: Qual a diferença entre os diferentes tipos de pilha que estão à venda no mercado? Qual a vantagem em se ligar mais de uma pilha a um circuito? É possível ligas um computador associando diversos limões? Porque não se utiliza esse processo para a geração de energia elétrica? Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Circuitos elétricos em série e paralelo: Materiais: Tábua contendo 4 soquetes para lâmpadas, 2 interruptores, 1 plugue para tomada e fios para as conexões (como na figura abaixo) e 4 lâmpadas de 40 Watts. Montagem: Observe as ligações em série e paralelo e repita o mesmo circuito. Interruptor Lâmpada Fonte Caso não se tenha acesso aos materiais e/ou habilidades para a construção do circuito acima, podemos utilizar uma excelente simulação para explorar circuitos elétricos, criada pelo Phet (Physics Education Technology). Com a simulação presente em http://phet.colorado.edu/sims/circuitconstruction-kit/circuit-construction-kit-ac_pt_BR.jnlp você pode criar os mais diversos circuitos elétricos para trabalhar conceitos como resistência, corrente e potência, assim como cálculos envolvendo associação de resistores. Abaixo apresentaremos um roteiro para explorar o comportamento da corrente elétrica em circuitos contendo associações de resistores. Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Conceitos a serem lembrados: Associação de Resistores Nos aparelhos eletroeletrônicos que utilizamos hoje podemos encontrar uma grande variedade de componentes elétricos (geradores, capacitores, diodos, transistores, chips, resistores, etc.) configurando o que chamamos de circuitos elétricos (caminhos fechados – sem interrupções – por onde os elétrons possam fluir). Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Os resistores podem ser ligados e combinados de duas formas diferentes: em série ou em paralelo. Os circuitos de aparelhos eletroeletrônicos, contudo utilizam associações mistas, compostas pela combinação de ambas as anteriores. Associação em Série Circuitos em série formam um único caminho para o fluxo de elétrons. Nestes circuitos a mesma corrente percorre todos os elementos, ou seja, a corrente não se acumula em cada componente, mas flui através deles. Algumas características importantes: Existe apenas um caminho pelo qual a corrente elétrica pode fluir, ou seja, todos os resistores são percorridos pela mesma corrente. Essa corrente enfrenta a resistência do primeiro resistor, do segundo, do terceiro, etc. de modo que a resistência total (resistência equivalente) à corrente é a soma das resistências individuais ao longo do circuito. A corrente elétrica no circuito é corresponde à voltagem fornecida pela fonte (d.d.p.) dividida pela resistência total do circuito (resistência equivalente). A relação V = Ri pode ser aplicada a cada um dos resistores em separado, a queda de voltagem, ou diferença de potência em cada um é proporcional à resistência. A voltagem total do circuito (d.d.p.) divide-se entre os componentes (resistores) presentes. Assim, a soma das quedas de voltagem em cada resistor é igual à voltagem total fornecida pela fonte. Assim, a resistência do resistor equivalente, em uma associação em série, é igual à soma das resistências dos resistores associados. Associação em Paralelo Os dispositivos elétricos conectados aos mesmos dois pontos são ditos estar conectados em paralelo. Nestes circuitos há mais de um caminho para fluxo de elétrons, ou seja, uma interrupção em um dos caminhos não interrompe o fluxo de cargas através dos outros caminhos (cada dispositivo opera de forma independente dos outros). Algumas características importantes: A voltagem (d.d.p.) através de cada dispositivo conectado em paralelo é a mesma. Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira A corrente total do circuito se divide entre os ramos paralelos. Como a voltagem (d.d.p.) é a mesma nos ramos paralelos a corrente é inversamente proporcional à resistência do ramo (a Lei de Ohm se aplica a cada ramo separadamente). A corrente total do circuito é igual à soma das correntes dos ramos paralelos. Quanto maior o número de ramos paralelos menor é a resistência total do circuito. Assim, o inverso da resistência do resistor equivalente, em uma associação em paralelo, é igual à soma dos inversos das resistências dos resistores associados. Resumo das características das associações em série e paralelo de resistores Associação em série Associação em paralelo i i1 i2 i3 ... i i1 i2 i3 ... V V1 V2 V3 ... V V1 V2 V3 ... RE R1 R2 R3 ... 1 1 1 1 ... RE R1 R2 R3 No circuito apresentado a intensidade de corrente é proporcional ao brilho da lâmpada. Assim, cabe ao aluno avaliar o brilho das lâmpadas levando em conta quando o circuito está em série ou paralelo. Proposta de questões a serem feitas aos alunos: Se o interruptor na parte superior do circuito for ligado alguma lâmpada ascenderá? Se, agora, conectarmos o fio logo abaixo da fonte e ligarmos também o interruptor na parte superior do circuito, o que acontece? (ainda com o interruptor na parte superior do circuito ligado) Ligando o interruptor no centro do circuito, o que acontece com o brilho das lâmpadas? (ainda com os ambos os interruptores ligados) Desenroscando a lâmpada mais à esquerda, o que acontece com o brilho das outras lâmpadas? (ainda com os ambos os interruptores ligados) Enroscando novamente a lâmpada à esquerda e desenrosque a lâmpada mais abaixo no circuito, o que acontece? Para os casos acima diga quais lâmpadas estavam ligadas em série e em paralelo. Estipule qual caso tem a maior e a menor resistência equivalente. Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Gerador Materiais: Alguns metros de fio de cobre esmaltado (tamanho 20 a 30), 1 lixa (papel lixa), 1 led vermelho e 1 imã de neodímio (encontrado no interior de computadores). Montagem: Enrole, em um tubo, um pedaço de fio de cobre no prego (sobrepondo as voltas), deixando cerca de 5 cm de fio de cobre sobrando de cada lado. Lixe com o papel-lixa as pontas do fio. Enrole cada um dos lados de fio em um dos lados do led. Coloque o imã dentro do tubo e sacuda com vigor. Assim como para outros experimentos, para o gerador podemos utilizar simulações para explorar os conceitos sem que sejam necessários materiais. A simulação para explorar a obtenção de energia elétrica por meio de um gerador pode ser acessada em http://phet.colorado.edu/sims/faraday/faraday_pt_BR.jnlp. Por outro lado, em http://phet.colorado.edu/sims/energy-forms-andchanges/energy-forms-and-changes_pt.jnlp podem ser explorados os processos para geração de energia elétrica utilizando o fenômeno da indução eletromagnética do gerador. Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Conceitos a serem lembrados: O efeito inverso ao observado no eletroímã diz que a variação do campo magnético pode fazer “aparecer” corrente elétrica em um condutor. Simplificando, a indução eletromagnética significa que sempre que movemos um ímã perto de um fio condutor, formando um circuito, surge uma corrente elétrica. Quer testar? Experimente movimentar um imã próximo a uma espira metálica... ...É assim que funciona o gerador. A corrente que ele gera “aparece” por causa do movimento de um ímã. Mas um gerador precisa que algo movimente o imã próximo dos fios para se gerar eletricidade. E adivinhe de onde vem a energia dessa força propulsora mecânica? - Da natureza! A geração de eletricidade depende intrinsecamente de algum recurso natural, que pode ser o vento, uma queda d'água, Urânio... Isso nos leva a pensar nas fontes de energia. O princípio que descreve esse fenômeno diz que: Fazendo variar o número de linhas de campo magnético que atravessa a espira, ou seja, o fluxo magnético, induz-se uma força eletromotriz e uma corrente elétrica induzida na espira. Matematicamente: Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira ΔϕB 𝜀𝑖 = − Δ𝑡 Onde i é a força eletromotriz (tensão ou diferença de potencial) induzida e B é o fluxo magnético. Já o fluxo magnético é dado por: ϕB = ABcosθ Onde A é a área da espira (anel formado pelos fios), B é o campo magnético e é o ângulo entre a “direção da área” e a direção do campo magnético. Proposta de questões a serem feitas aos alunos: Quando surge a corrente elétrica? Qual a relação entre a rapidez do movimento e a corrente elétrica? O que mais poderia ser feito para obtermos corrente elétrica através desse mesmo princípio? Onde geradores são utilizados? Texto de apoio Corrente elétrica O que é uma corrente elétrica? Nos sólidos (fios de metal, por exemplo), os portadores de carga elétrica são os elétrons livres em cada átomo do metal (livres para se mover através da rede atômica) – os chamados elétrons de condução. Já nos fluídos condutores (soluções eletrolíticas – como o líquido das baterias de carro) são os íons os portadores de carga (cátions e ânions). Os gases, por outro lado, sob a ação de um forte campo elétrico podem se ionizar, apresentando como portadores de carga, íons positivos, íons negativos e elétrons livres. O movimento ordenado de portadores de carga elétrica é chamado de corrente elétrica. Nos condutores metálicos sempre existem os elétrons livres e estes sempre se encontram em um movimento desordenado. A corrente elétrica decorre da imposição de um Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira movimento ordenado, que não anula o movimento desordenado dos elétrons, mas se superpõem a ele. Um modelo para tal situação é o de um enxame de mosquitos: cada mosquito (elétron livre) voa desordenadamente enquanto o enxame como um todo se encontra parado. Em seguida leve brisa (campo elétrico) passa a carregar o enxame como um todo. Note que cada mosquito agora possui ainda o movimento desordenado, mas é arrastado ordenadamente junto com o enxame. Com a brisa os mosquitos são acelerados. Alguns destes mosquitos aumentam de velocidade outros diminuem de velocidade. Sem a brisa (na ausência de campo elétrico – na ausência de diferença de potencial – o fluxo de cargas cessa). Na corrente elétrica contínua, em condutores metálicos, há duas velocidades de propagação a considerar: a do movimento ordenado dos elétrons livres, que é muito pequena, da ordem de centena de centímetros por hora, mesmo quando a corrente é tão grande que o condutor se danifica (velocidade de um elétron na existência de um campo elétrico: da ordem de 1 mm/s). A outra velocidade é a velocidade de propagação do campo elétrico (ou da energia elétrica). Esta última velocidade é muito grande, sendo da ordem da velocidade da luz no vácuo (3 x 108 m/s). Isto explica o fato de, ao ligarmos o interruptor de uma lâmpada, esta se acender imediatamente. O movimento dos portadores de carga em um condutor Nos condutores metálicos existe movimento ininterrupto e irregular de elétrons e, principalmente, de elétrons livres. Chamamos de elétrons livres, os elétrons que se encontram mais afastados do núcleo de seu átomo, que estando mais fracamente ligados ao átomo adquirem maior mobilidade. A corrente elétrica é um movimento ordenado de portadores de cargas elétricas. Então, como ocorre a transformação desse movimento caótico em um movimento ordenado, para produzir a corrente elétrica? Os elétrons livres passarão a se deslocar, preferencialmente, em uma direção e sentido se uma força for aplicada sobre eles com essa orientação. Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Como se tratam de partículas eletrizadas é fácil concluir que a força que age sobre cada uma delas, para ordená-las, é uma força elétrica. Um elétron, ou qualquer corpo eletrizado, sofre a ação de uma força elétrica quando se encontra em um campo elétrico. Para que seja gerado um campo elétrico no condutor, deve ser aplicada a este condutor uma diferença de potencial. Esta é a função do gerador. Ligando-se o condutor aos polos do gerador se estabelece a corrente elétrica. Nos condutores líquidos e nos gases, de maneira semelhante, se faz necessária a diferença de potencial entre seus polos para que os portadores de cargas (cátions, ânions e/ou elétrons livres), inicialmente em movimento caótico, passem a ter um movimento ordenado. Esta diferença de potencial é aplicada aos condutores quando estes são ligados aos polos de um gerador. Intensidade da corrente elétrica A corrente elétrica é uma grandeza física, cuja intensidade de sua manifestação (mais forte/ mais fraco) depende da quantidade de cargas que passam pelo condutor em um determinado intervalo de tempo. A esse fenômeno é associada uma grandeza escalar chamada intensidade da corrente elétrica (i). Considere um condutor retilíneo percorrido por uma corrente elétrica. Imagine, neste condutor, uma secção reta S. Em cada intervalo de tempo (t) passa por essa secção S certa quantidade de carga (Q). A intensidade média da corrente elétrica nessa secção é dada por: i Q t Como a carga elétrica é quantizada e o menor valor corresponde à carga de um elétron ou de um próton, carga elementar (e=1,6 x 10-19 C), a expressão acima pode ser dada por: i ne t onde: n = número de elétrons que atravessam a secção reta do fio condutor; e = módulo da carga elementar (ou carga de um elétron); e t = intervalo de tempo. O Ampère é uma unidade adequada para as instalações elétricas domésticas ou industriais, mas para os circuitos eletrônicos ela é muito grande. Por isso, são usados frequentemente os submúltiplos do Ampère, como o miliampère (1 mA=10-3 A) e o microampère (1 A=10-6 A). Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira Glossário Grandeza Corrente elétrica Resistência elétrica Diferença de potencial Força Energia Velocidade Símbolo i Ampère [A] R Ohm [] V Volt [V] Temperatura Campo elétrico Campo magnético T E B F E, K, U v Unidade Newton [N] Joules [J] Metros por segundo [m/s] ou quilômetros por hora [km/h] Kelvin [K] Newton por Coulomb [N/C] ou volt por metro [V/d] Tesla [T] Referências bibliográficas Livros AXT, Rolando. ALVES, Virgínia Mello. Física para Secundaristas – Eletromagnetismo e Óptica. 1995 GASPAR, Alberto. Física. Vol. 2. São Paulo: Ática, 2000. HEWITT, Paul G. Física Conceitual. Porto Alegre: Bookman, 2002. LEITURAS DE FÍSICA – GREF (Grupo de Reelaboração do Ensino de Física): ELETROMAGNETISMO (para ler, fazer e pensar). LUZ, Antônio Máximo Ribeiro da, ALVARENGA, Beatriz, Física. 5. ed. São Paulo: Scipione, v. 3.: il.. VALADARES, Eduardo de Campos. Física mais que divertida: inventos eletrizantes baseados em materiais reciclados e de baixo custo. 2. ed. rev. ampl. Belo Horizonte : Editora UFMG, 2002. 119 p. : il. + Encarte2002. Tornando o Ensino de Física divertido e cativante com o uso de experimentos e simulações Professor Alex Soares Vieira MORAES, Maria Beatriz dos Santos A. RIBEIRO-TEIXEIRA, Rejane M. Circuitos elétricos: novas e velhas tecnologias como facilitadoras de uma aprendizagem significativa no nível médio. Textos de Apoio ao Professor de Física. v. 17 n.1. Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física. 2006. Sites com textos diversos http://www.if.ufrgs.br/cref/ http://www.sofisica.com.br/ Sites com materiais diversos http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/Material-didatico http://www.feiradeciencias.com.br/ http://www.searadaciencia.ufc.br Experimentos e demonstrações http://www.pontociencia.org.br/ Simulações phet.colorado.edu/pt_BR/ http://www.walter-fendt.de/ph14br/
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