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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
Programa de Pós-Graduação em Ensino
Reginaldo Eustáquio
A BOBINA DE TESLA: UMA ABORDAGEM DIDÁTICA DOS CONCEITOS DE
GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
Belo Horizonte
2013
Reginaldo Eustáquio
A BOBINA DE TESLA: UMA ABORDAGEM DIDÁTICA DOS CONCEITOS DE
GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
Dissertação apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Ensino da
Pontifícia Universidade Católica de Minas
Gerais; como requisito parcial à obtenção
do título de Mestre em Ensino de
Ciências e Matemática.
Área de concentração: Ensino de Física.
Orientador: Prof. Dr. Lev Vertchenko
Belo Horizonte/MG
2013
FICHA CATALOGRÁFICA
Elaborada pela Biblioteca da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais
Eustáquio, Reginaldo
E91b A bobina de tesla: uma abordagem didática dos conceitos de geração,
transmissão e recepção de ondas eletromagnéticas / Reginaldo Eustáquio. Belo
Horizonte, 2013.
148f.: il.
Orientador: Lev Vertchenko
Dissertação (Mestrado) – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais.
Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências e Matemática.
1. Eletromagnetismo. 2. Ondas eletromagnéticas - Transmissão. 3. Bobinas.
4. Física – Estudo e ensino. I. Vertchenko, Lev. II. Pontifícia Universidade
Católica de Minas Gerais. Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências e
Matemática. III. Título.
CDU: 538.3
Reginaldo Eustáquio
A BOBINA DE TESLA: UMA ABORDAGEM DIDÁTICA DOS CONCEITOS DE
GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Ensino da Pontifícia
Universidade Católica de Minas Gerais, como
requisito parcial à obtenção do título de Mestre
em Ensino de Ciências e Matemática.
_________________________________________________
Prof. Dr. Lev Vertchenco (Orientador) – PUC Minas
________________________________________________
Prof. Dr. Peter Loroy de Faria – PUC Minas
________________________________________________
Profª. Drª. Adriana Gomes Dickman – PUC Minas
Belo Horizonte, 08 de Novembro de 2013
Dedico este trabalho a Deus e ao meu filho.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, Físico da minha existência, por permitir a conclusão desse
trabalho.
Agradeço a Elem Márcia Leal, por ter contribuído em minha formação,
lembrando-me de estar com os pés no chão.
Ao meu filho Iury Leal Eustáquio, por estar sempre me chamando para brincar
quando estou estressado com a dissertação.
Agradeço ao Instituto Doctum, na pessoa do Professor Pedro Leitão, pela
contribuição financeira e acadêmica.
À professora Marcia, professora Marta e ao professor Fernando, pela
contribuição na escrita. Ao meu amigo Maycon Douglas Botelho Campos.
Ao meu orientador, Lev Vertchenko, pela paciência e por chamar-me a
atenção nos momentos necessários. E como foi necessário!
Ao programa de Pós-Graduação em Ensino da Pontifícia Universidade
Católica de Minas Gerais.
Aos professores e mestres, com carinho.
RESUMO
O objetivo deste trabalho é desenvolver e aplicar uma sequência didática
sobre a geração, transmissão e recepção das Ondas Eletromagnéticas no contexto
da história da Bobina de Tesla. O produto educacional é composto por um conjunto
de atividades experimentais que permitem aos alunos explorar, testar e discutir os
fenômenos físicos relacionados ao eletromagnetismo. O referencial teórico-
pedagógico é o conceito sócio-histórico de Vigotski, valorizando-se, assim, a relação
professor-aluno, colocando este como mediador do processo de aprendizagem. Um
teste preliminar da sequência foi aplicado ao alunos do terceiro período de
Engenharia Civil, na disciplina Física II; a aplicação efetiva foi realizada com os
alunos na disciplina Eletromagnetismo do quinto período de Engenharia Elétrica. A
avaliação dos alunos foi feita por meio da análise de dados coletados através de
observações, um questionário e um texto produzido pelos próprios alunos. Os
resultados mostram que os alunos foram capazes de desenvolver conceitos
científicos. Acreditamos que esta proposta é adequada para ensinar tópicos de
ondas eletromagnéticas, auxiliando professores de física a preparar aulas
contextualizadas.
Palavras-chave: Eletromagnetismo, Conceitos Científicos, Bobina de Tesla, Ensino
de Física, Vigotski.
ABSTRACT
The aim of this work is to develop and apply a didactic sequence about the
generation, transmission and reception of electromagnetic waves in the context of the
history of the Tesla coil. The educational product consists of a set of experimental
activities that allow the students to explore, test and discuss the physical phenomena
related to electromagnetism. The theoretical-pedagogical frame is Vigotski's social-
historical concept, thereby enhancing the teacher-student relationship, and
emphasizing the teacher as the mediator of the learning process. A preliminary test
of the product was performed with civil engineering students, in the course Physics II;
it was subsequently put into effect in an electromagnetism course for electrical
engineering students. The students' performance was evaluated through the analysis
of the data collected from observations, a questionnaire and a text composed by the
students. The results show that the students were able to develop scientific concepts.
We believe that this proposal is appropriate for teaching about electromagnetic
waves, helping physics teachers to prepare contextualized classes.
Keywords: Electromagnetism, scientific concepts, Tesla coil, physics education,
Vigotski.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Equipamentos e materiais para experimento. ............................................ 48
Figura 2: Posições para medir o brilho da lâmpada. ................................................. 50
Figura 3: Observando a influência das ondas eletromagnéticas. .............................. 51
Figura 4: Medindo a tensão elétrica, ao fundo está a Bobina de Tesla. .................... 53
Figura 5: Nicola Tesla. .............................................................................................. 61
Figura 6: Representação de uma onda eletromagnética. .......................................... 62
Figura 8: Definição de comprimento de onda. ........................................................... 63
Figura 9: Esquema elétrico da BT. ............................................................................ 64
Figura 10: Foto da BT usada para essa dissertação. ................................................ 65
Figura 11: Descarga no terminal do indutor secundário LS....................................... 66
Figura 12: Bobina construída por Tesla. Ao fundo Tesla, lendo um livro. ................. 66
Figura 13: Gráfico espector eletromagnético. ............................................................ 67
Figura 14: Espectro visíveis ao olho humano. ........................................................... 68
Figura 15: Esquema elétrico da bobina de tesla. ...................................................... 70
Figura 16: Apresentação da gaiola de Faraday. ........................................................ 71
Figura 17: Explicação das partes constituintes do aparato experimental. ................. 77
LISTA DE TABELAS E QUADROS
Tabela 1: Classificação das tensões .................................................................................. 70
Tabela 2: Resultados da questão 2.3 ................................................................................. 81
Tabela 3: Resultados da questão 3.1 ................................................................................. 83
Tabela 4: Resultados da questão 4.1 ................................................................................. 86
Tabela 5: Resultados da questão 4.3 ................................................................................. 87
Tabela 6: Resultados da questão 5.2 ................................................................................. 90
Tabela 7: Resultados da questão 6.1 ................................................................................. 91
Tabela 8: Resultados da questão 6.2 ................................................................................. 94
Tabela 9: Resultados da avaliação do texto redigido pelos alunos. ............................. 96
LISTA DE SIGLAS
BT - Bobina de Tesla
DCN - Diretizes Curriculares Nacionais
FIC. MG - Faculdades Integradas de Caratinga – Minas Gerais
PCN - Parâmetros Curriculares nacionais
OEM - Ondas Eletromagnéticas
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 16 1.1 Motivação para o trabalho ...................................................................................... 16 1.2 Objeto de estudo ....................................................................................................... 16 1.3 Justificativa ............................................................................................................... 17
1.4 A importância do estudo dos conceitos de eletromagnetismo com a Bobina de
Tesla e a estrutura da dissertação ..................................................................................... 17 2 FUNDAMENTACÃO LEGAL E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..................................................... 20 2.1 Diretrizes Curriculares Nacionais dos cursos de Engenharia ............................. 20 2.2 O ensino de física nos cursos de Engenharia ......................................................... 21 2.3 Propostas para o ensino de Eletromagnetismo de forma experimental ............. 23 2.4 Bobina de Tesla para o ensino de eletromagnetismo ............................................ 24
2.5 A nossa proposta ...................................................................................................... 27 3 REFERENCIAL TEÓRICO- PEDAGÓGICO ................................................................................ 29 3.1 Introdução ................................................................................................................ 29 3.2 Análise dos conceitos pedagógicos de Vigotski ...................................................... 30
3.3 Os conceitos pedagógicos de Vigotski no contexto educacional .......................... 32 3.4 A formação dos conceitos ........................................................................................ 34 3.5 A formação dos conceitos científicos ...................................................................... 35
3.6 Metodologia: Aplicação das idéias de Vigotski no trabalho proposto ................ 37 4 METODOLOGIA ADOTADA E A EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE FÍSICA ..................... 39 4.1 Introdução ................................................................................................................ 39 4.2 Transposição Didática: instrumento transformador no processo de ensino de
física... .................................................................................................................................. 40
4.3 Laboratório adotado para a execução da sequência didática .............................. 25
4.4 O laboratório Estruturado e a proposta vigente ................................................... 41 5 PRODUTO .................................................................................................................................... 44 5.1 Apresentação ............................................................................................................ 44
5.2 Introdução ................................................................................................................ 44 5.3 Objetivos ................................................................................................................... 46
5.3.1 Objetivo geral ................................................................................................. 46
5.3.2 Objetivos específicos ...................................................................................... 46
5.4 Uso do vídeo “Tesla Mestre dos Raios” ................................................................. 46 5.5 Materiais e equipamentos utilizados nas atividades experimentais .................... 47
5.6 Orientações para execução do experimento .......................................................... 48 5.7 Parte I – Analisando a bobina e o campo eletromagnético .................................. 49
5.7.1 Identificando os componentes da bobina e as finalidades de cada item ......... 49
5.7.2 Detectando a presença de campo eletromagnético ......................................... 50
5.7.2.2 Resultados esperados ...................................................................................... 51
5.7.3 Verificando a presença de tensão elétrica associada às ondas eletromagnéticas
52
5.7.3.1 Material utilizado: ........................................................................................... 52
5.7.3.2 Resultados esperados ...................................................................................... 53
5.7.3.3 Identificando as antenas geradoras e receptoras de ondas eletromagnéticas .. 54
5.7.3.4 Resultados esperados ...................................................................................... 54
5.7.4 Analisando o comprimento de onda ............................................................... 55
5.7.4.1 Material utilizado: ........................................................................................... 55
5.7.4.2 Resultados esperados ...................................................................................... 56
5.7.5 Semelhanças e diferenças entre as ondas eletromagnéticas geradas pela BT e
o sistema de Rádio. ........................................................................................................... 56
5.7.6 Resultados esperados ...................................................................................... 57
5.7.7 Explorando um pouco mais o eletromagnetismo da Bobina de Tesla ............ 57
5.7.8 A criação de um campo elétrico devido ao campo magnético variável .......... 59
5.7.9 Intensidade das ondas eletromagnéticas: uma descrição do vetor de
Poynting.... ........................................................................................................................ 60
5.8 Entendendo a bobina de Tesla ................................................................................ 60 5.7.2 Nikola Tesla .................................................................................................... 61
5.8.2 Bobina de Tesla .............................................................................................. 61
5.8.2.1 Campo Eletromagnético ................................................................................. 61
5.8.2.2 Funcionamento da Bobina deTesla ................................................................. 64
5.8.3 História e aplicação da Bobina de Tesla ......................................................... 66
5.8.4 Grandezas típicas da radiação ......................................................................... 67
5.8.5 Perigos da Bobina de Tesla ............................................................................. 68
5.8.5.1 Alta tensão e altas freqüências ........................................................................ 69
5.8.5.2 Ozônio ............................................................................................................. 72
5.8.5.3 Efeitos da radiação eletromagnética no organismo humano........................... 72
6 APLICAÇÃO DO PRODUTO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ................................................ 74 6.1 Metodologia da pesquisa ......................................................................................... 74
6.1.1 Escolha dos participantes ................................................................................ 74
6.2 ELABORAÇÃO DO MATERIAL E ATIVIDADES EXPERIMENTAIS ....... 75
6.3 Elaboração do texto como instrumento de avaliação ........................................... 42 6.4 Aplicação do material .............................................................................................. 76
6.5 Dificuldades e soluções encontradas na aplicação do material ............................ 78 6.6 Indagações e sugestões feitas pelos alunos ............................................................. 79
6.7 Análise dos resultados ............................................................................................. 80 6.7.1 Análise das respostas individuais dos alunos ................................................. 81
6.7.1.1 Observação quanto ao tópico “Explorando um pouco mais os conceitos de
eletromagnetismo” ............................................................................................................ 95
6.7.2 Análise dos textos escritos como forma de avaliação dos conteúdos ............. 96
6.7.3 Depoimento dos alunos quanto à metodologia de ensino. ............................. 98
7 CONSIDERACÕES FINAIS ....................................................................................................... 101
7.1 Pesquisas futuras .................................................................................................... 102 REFERÊNCIAS .............................................................................................................................. 104 APÊNDICES ................................................................................................................................... 110
16
1 INTRODUÇÃO
1.1 Motivação para o trabalho
Ao ministrar o conteúdo eletromagnetismo na disciplina Física II para o quarto
período de Engenharia Elétrica do Instituto Doctum de Ensino e Pesquisa
(DOCTUM-MG) no período de 2010 a 2012, verificou-se a grande dificuldade dos
alunos na aprendizagem dos conceitos relacionados aos campos elétrico, magnético
e eletromagnético. Corroborando essa constatação, Magalhães (2002) evidencia
que a dificuldade provém da forma abstrata de como são passados os conceitos
para o aluno, fazendo com que eles não sejam percebidos, embora estejam
presentes no dia a dia, no domínio concreto. Esse foi um dos motivos que
descortinaram a ideia de desenvolver métodos para melhorar o ensino da Física no
curso de graduação na referida Instituição.
Outro motivo foi o pré-requisito do programa de Mestrado em Ensino de
Ciências e Matemática da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, que
propõe a necessidade de elaboração de um material didático para o ensino de
Física. Dessa forma, optou-se por utilizar o aparato experimental Bobina de Tesla
(BT) como ferramenta na elaboração de uma sequência didática que possibilite ao
aluno o despertar para a ciência, compreendendo a física abstrata através de
demonstrações concretas.
1.2 Objeto de estudo
A análise experimental é importante para o entendimento das leis, princípios e
conceitos científicos. Galileu, revolucionando o método científico, mostrou que pôr a
natureza à prova é uma das melhores formas para compreender os fenômenos
físicos.
Nos cursos de Engenharia, especificamente no curso de Engenharia Elétrica,
o Eletromagnetismo, disciplina básica na formação profissional dos recém-
ingressados na área, possui caráter abstrato, o que dificulta a compreensão de seus
conceitos científicos. Nesse sentido, nosso objeto de estudo consiste em
17
desenvolver, aplicar e analisar os resultados de uma sequência didática voltada para
o ensino de eletromagnetismo, tendo como foco os processos de geração,
transmissão e recepção das ondas eletromagnéticas (OEM).
1.3 Justificativa
De acordo com pesquisadores em Ensino de Física, dentre eles Ribeiro et al.
(2012). A maioria dos alunos vê a Física como algo com alto grau de dificuldade,
sendo esse o motivo principal da falta de interesse em sala de aula e,
consequentemente, do grande número de reprovações. Por esse motivo, as aulas
práticas com experimentos simples que correlacionem física com elementos do
cotidiano são necessárias para atrair o interesse dos alunos. Baseando-se nesse
pressuposto, o presente trabalho tem, como um de seus objetivos, proporcionar aos
alunos um contato mais íntimo com aplicações práticas do eletromagnetismo. E,
para isto, procuramos estar em consonância com os Parâmetros Curriculares
Nacionais (PCN), que evidenciam a necessidade de apresentar a Física como um
conjunto de competências capazes de levar os alunos a lidar com fenômenos
naturais e tecnológicos, possibilitando a formação de indivíduos participativos e
dispostos a intervir na realidade.
Nesse contexto, surge a bobina de Tesla, um dos experimentos com efeitos
extraordinários. A bobina de Tesla (BT) foi construída no final do século XIX, por
Nikola Tesla, mago da energia elétrica, criador da corrente alternada, do rádio e
diversos outros equipamentos. Esse magnífico invento surge como um valioso
instrumento para o ensino de Eletromagnetismo, possibilitando desenvolver as
competências listadas nos PCNs, como a discussão de temas de interesse da
ciência e tecnologia.
1.4 A importância do estudo dos conceitos de eletromagnetismo com a Bobina de
Tesla e a estrutura da dissertação
No ensino de eletromagnetismo, impera o formalismo teórico em detrimento
de uma abordagem experimental aliada ao debate e aplicações práticas dos
conceitos de eletromagnetismo. No desejo de contribuir para a superação desta
deficiência, o presente estudo sugere a aplicação da Bobina de Tesla (BT) no estudo
18
dos fenômenos eletromagnéticos. Essa escolha deveu-se ao relativo baixo custo dos
materiais empregados, facilidade de construção e imenso potencial didático.
A BT possibilita o que as Diretrizes Curriculares Nacionais (DCNs)
recomendam. Ou seja, o surgimento de habilidades e competências aliadas à
interdisciplinaridade e transversalidade no ensino de Física. Os experimentos e
demonstrações possíveis com a BT são magníficos, tanto no aspecto visual quanto
nas abordagens conceituais dos fenômenos eletromagnéticos. Basicamente, todos
os conceitos estudados no eletromagnetismo são passíveis de ser analisados com a
BT. Esses conceitos são relacionados pelas leis de Maxwell, as quais possuem um
caráter abstrato.
As pesquisas com a BT foram pioneiras no sistema de comunicação, dando
ao seu inventor a patente do Rádio. Por ser uma antena emissora de ondas
eletromagnéticas e possibilitar a visualização de vários fenômenos relacionados a
este conceito, iremos nos voltar para o uso da BT no ensino de geração e recepção
do campo eletromagnético.
Carvalho et. al. (2012) evidencia que é fundamental associarmos o
eletromagnetismo com as perspectivas profissionais. Na pesquisa e
desenvolvimento do projeto, que culminou na construção do produto descrito nesta
dissertação, consideramos quatro pontos importantes:
Os conceitos a serem desenvolvidos;
A escolha do aparato experimental que contribua de forma significativa para o
desenvolvimento dos conceitos;
O referencial teórico-pedagógico;
A escolha da metodologia para aplicação da sequência experimental.
Buscamos desenvolver uma sequência didática que oferecesse ao aluno a
possibilidade de aprender os conceitos de geração e recepção das OEMs,
procurando uma contextualização com as aplicações tecnológicas destas.
Escolhemos a BT como aparato experimental por possibilitar ao aluno o
desenvolvimento da curiosidade, induzindo-o ao questionamento e desenvolvendo
nele o interesse em fazer ciência, pesquisar e experimentar a partir de uma
sequência de investigações fundamentada nos referenciais pedagógicos de Vigotski.
A seguir, apresentamos nos Capítulos 2 e 3 a fundamentação legal e o
referencial pedagógico que conduziram a elaboração, aplicação e análise dos
resultados do produto. Apresenta-se também uma análise do ensino de
19
eletromagnetismo e propostas para o ensino dos conceitos de eletromagnetismo
evidenciando o uso da BT no ensino. Em seguida, apresenta-se no Capítulo 4 a
experimentação no ensino de física, onde se justifica a escolha do tipo de laboratório
e como este deve-se adequar a nossa proposta.
O produto dessa dissertação é apresentado no Capítulo 5, no qual mostramos
a sequência experimental em forma de roteiro para ser aplicada nas disciplinas de
Física Geral com alunos do terceiro período de Engenharia Civil, e na disciplina de
Eletromagnetismo, com alunos do quinto período de Engenharia Elétrica.
Apresentam-se também os detalhes da BT quanto à sua história, seu funcionamento
e os perigos oferecidos por ela.
Nos capítulos 6, na aplicação da sequência didática, analisamos os
resultados obtidos com a aplicação do produto e a satisfação dos alunos quanto à
metodologia adotada. Apresentamos no Capítulo 6, em particular, uma série de
depoimentos dos alunos e, por fim, no Capítulo 7, encerramos este trabalho com as
considerações finais.
20
2 FUNDAMENTAÇÃO LEGAL E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Diretrizes Curriculares Nacionais dos cursos de Engenharia
As Diretrizes Curriculares Nacionais, estabelecidas pela Câmara de Educação
Superior - CNE, definem para os cursos de Engenharia, a resolução em 11/2002 do
CNE (2002), em seu artigo terceiro:
Art. 3º. O Curso de Graduação em Engenharia tem como perfil do formando egresso/profissional, o engenheiro, com formação generalista, humanista, crítica e reflexiva, capacitado a absorver e desenvolver novas tecnologias, estimulando a sua atuação crítica e criativa na identificação e resolução de problemas, considerando seus aspectos políticos, econômicos, sociais, ambientais e culturais, com visão ética e humanística, em atendimento às demandas da sociedade.
Diante disso, cabe à escola, na formação do engenheiro, a função de dotar o
profissional dos conhecimentos requeridos para as competências citadas no artigo
terceiro do CNE, possibilitando-lhe agir como transformador do meio social em que
esteja inserido, levando-o, como egresso, a ultrapassar os limites das disciplinas
estudadas.
As diretrizes curriculares estabelecem ainda que a escola deva garantir, na
formação do aluno, a capacidade de aplicar os conhecimentos matemáticos,
científicos, tecnológicos e instrumentais à engenharia, com o objetivo de:
Projetar, conduzir experimentos e interpretar resultados; conceber, projetar e analisar sistemas, produtos e processos; planejar, supervisionar, elaborar e coordenar projetos e serviços de engenharia; identificar, formular e resolver problemas de engenharia; desenvolver e/ou utilizar novas ferramentas e técnicas; supervisionar a operação e a manutenção de sistemas; avaliar criticamente a operação e a manutenção de sistemas; comunicar-se eficientemente nas formas escrita, oral e gráfica; atuar em equipes multidisciplinares; compreender e aplicar a ética e responsabilidade profissional; avaliar o impacto das atividades da engenharia no contexto social e ambiental; avaliar a viabilidade econômica de projetos de engenharia; assumir a postura de permanente busca de atualização profissional.
No que tange ao assunto, o parágrafo primeiro do artigo 6º estabelece:
1º O núcleo de conteúdos básicos, cerca de 30% da carga horária mínima,
versará sobre os tópicos que seguem:
I - Metodologia Científica e Tecnológica;
21
II - Comunicação e Expressão;
III - Informática;
IV - Expressão Gráfica;
V - Matemática;
VI - Física;
VII - Fenômenos de Transporte;
VIII - Mecânica dos Sólidos;
IX - Eletricidade Aplicada;
X - Química;
XI - Ciência e Tecnologia dos Materiais;
XII - Administração;
XIII - Economia;
XIV - Ciências do Ambiente;
XV - Humanidades, Ciências Sociais e Cidadania.
Vale lembrar que nas disciplinas de Física, Química e Informática é
obrigatório o uso de laboratório para aulas práticas. Evidencia-se nos textos das
Diretrizes Curriculares Nacionais (DCN) a importância do ensino experimental ao
possibilitar ao aluno uma contextualização dos conceitos apreendidos em sala no
cotidiano, pois assim será possível desenvolver no egresso de Engenharia uma
visão crítica quanto ao uso das tecnologias, capacitando-o a entender e a participar
das transformações no meio social em que se insere.
2.2 O ensino de física nos cursos de Engenharia
O ensino de Física nos cursos de Engenharia divide-se em Física I, Física II e
Física III. Essa Física varia nas nomenclaturas usadas pela Instituição de Ensino ou
pela área de formação; por exemplo: os conceitos enfatizados na Engenharia
Hidráulica não são os mesmos da Engenharia Elétrica. No curso de Engenharia
Elétrica do Instituto Doctum de Ensino e Pesquisa, no qual se desenvolve o presente
estudo, o ensino de Física divide-se em:
Fundamentos da Física, abordando os conceitos de Mecânica (Leis de
Newton e suas aplicações, Trabalho e Energia, Quantidade de movimento e suas
propriedades);
Física I: aborda os conceitos de Termodinâmica, Oscilações e Eletrostática;
22
Física II: o foco são os conceitos de Eletrodinâmica, Ondas Eletromagnéticas,
Física Moderna e Introdução à Física Quântica.
Destacam-se as disciplinas Eletromagnetismo I e Eletromagnetismo II, nas
quais os conceitos referentes a eletromagnetismo são estudados com uma
abordagem matemática mais profunda. A proposta de ensino que segue aplica-se ao
ensino de Física II e Eletromagnetismo I e II.
As disciplinas de Física, Química e Matemática são fundamentais para uma
sólida formação do engenheiro, pois essas serão a base para a construção do
conhecimento nas demais áreas que se seguirão. Todavia, não se pode ensinar a
Física tomando-se como base o curso de formação de um Físico. Para o graduando
em Engenharia, é necessário ampliar a ligação da Física com outras disciplinas, a
fim de mostrar ao estudante o objetivo do seu estudo. Enquanto cabe ao Físico
pesquisar, estudar os fenômenos e arranjá-los em modelos matemáticos precisos, o
Engenheiro deve se valer desse conhecimento organizado e tirar proveito para o
progresso e conforto da humanidade.
A função do cientista é conhecer, enquanto que a do engenheiro é conhecer
o que o cientista pesquisou e usar tal conhecimento para fazer. Assim ocorre na
área da Física. O físico adiciona dados e informações ao conhecimento verificado e
sistematizado do mundo físico; e o engenheiro torna esse conhecimento útil na
solução de problemas práticos, que envolvem o projeto e construção de artefatos,
equipamentos, instrumentos, instalações e também a concepção de sistemas e
processos, via de regra envolvendo os elementos anteriores de modo a serem
operados de forma econômica. (ZAJNBERG, ZAKON, 2011, p.02).
Na graduação em Engenharia entendemos que é importante o formalismo
matemático. Contextualizá-la não significa ensinar uma física conceitual, sem uma
abordagem matemática profunda, como está em “moda” no ensino de física. De
acordo com Arand et al. (2008) a transposição entre o saber sábio e o saber a
ensinar, segundo Dominguini (2013) ocasiona uma simplificação associada à
linguagem (incluindo recursos matemáticos) utilizada para conceituar e demonstrar
os conteúdos, levando à um artificialismo dos livros didáticos. Contudo os autores
evidenciam que, uma abordagem matemática sólida, associada aos conceitos,
possibilita aos estudantes um aprendizado mais significativo.
23
2.3 Propostas para o ensino de Eletromagnetismo de forma experimental
Diversos são os artigos que apontam a necessidade de se pensar o ensino de
eletromagnetismo. Vários desses artigos evidenciam a necessidade da
experimentação como elemento para uma aprendizagem significativa. Krapas et. al.
(2005), propõem a construção de um aparato experimental para abordar os
conceitos de campo eletromagnético. A experimentação é feita com um prego
inserido em um eletroímã, construído com um tubo de caneta em que enrola-se um
fio de cobre, este eletroímã é associado em série com uma lâmpada incandescente,
em seguida conecta-se a rede elétrica. As oscilações do prego dentro desse
eletroímã possibilitam discussões que fogem ao escopo das explicações acerca do
campo magnético criado pela bobina na abordagem de sua levitação e sustentação.
Um dos objetivos do artigo é mostrar como experimentos simples podem instigar em
alunos com certa experiência uma gama de explicações.
Nossa proposta de sequência didática com a BT levará a uma inquietação
similar. Porém, nela constarão os processos e comparações com cálculos teóricos,
utilizando como referencial teórico os conceitos de Vigotski.
Nesse contexto, Monteiro et al. (2010) apresentam o experimento de
construção de um motor elétrico, partindo do ponto de vista vigotskiano de que há
precedência da cultura sobre o desenvolvimento cognitivo de uma pessoa.
As dificuldades no ensino dos conceitos de campo eletromagnético são
conhecidas pela sua abstração. Assim, experimentos que possibilitem a visualização
dos conceitos contribuem de forma significativa para a aprendizagem. Laburu (2000)
apresenta um modo prático e acessível de visualizar ondas eletromagnéticas
estacionárias, tendo como “ferramenta” principal um forno microondas e descreve a
forma de executar tal experimento.
A proposta apresentada no artigo citado difere da sequência didática proposta
neste trabalho quanto às características do campo eletromagnético, pois analisa
microondas formando ondas estacionárias. Outra diferença está no aspecto
pedagógico, o trabalho analisado possibilita apenas uma ilustração, não apresenta
uma abordagem didática, nem intervenções com os referenciais de Vigostski.
Para a compreensão do conceito de campo eletromagnético, os conceitos de
campo elétrico e campo magnético devem ser estudados em separado e,
posteriormente, em sua junção. Para isso contribui Silva (1999) ao apresentar um
24
estudo sobre transmissão e detecção de campo elétrico, através da interface de dois
guias de ondas planos, onde desenvolve um procedimento para entender o
processo de transmissão e reflexão de campo elétrico.
Para o ensino dos conceitos de campo magnético, Furukawa e Sartorelli
(2000) contribuem, apresentando uma montagem experimental para medição do
campo magnético terrestre. Tal montagem consiste em um osciloscópio adaptado a
um tripé, para este tipo de medida. O tripé possibilita a regulagem do osciloscópio, a
fim de alinhar-se ao campo magnético terrestre. Possibilita também, o estudo do
movimento de cargas elétricas em campos magnéticos.
Ainda para o ensino de campo magnético, Robert (2003) apresenta uma
técnica de cálculo de campo magnético utilizando a bobina de Helmholtz. A
abordagem é feita com a solução analítica da equação de Laplace para um potencial
com simetria axial, descreve os detalhes construtivos e aplicações, como o cálculo
do campo magnético terrestre.
A forma como são abordados os conceitos assemelha-se à proposta de
sequência didática com a BT, haja vista propormos a detecção de campo
eletromagnético de forma experimental. E com os resultados, faz-se uma
comparação com as equações de onda.
Dentre as propostas analisadas, destacam-se algumas com o uso da bobina e
Tesla, as quais são discutidas a seguir.
2.4 Bobina de Tesla para o ensino de eletromagnetismo
A abstração no ensino dos conceitos de campo elétrico, magnético e
eletromagnético pode ser verificada mediante aplicação de simples questionários,
como se verifica no Apêndice E. Analisando o trabalho de Borges (1998), pode-se
constatar que o ensino experimental dos conceitos de eletromagnetismo possibilita
ao aluno formar modelos mentais quanto aos fenômenos observados. Neste
contexto, surge a Bobina de Tesla como instrumento de ensino; seu uso propicia as
mais fascinantes demonstrações, o que causa o despertar do aluno para os
conceitos de eletromagnetismo.
Tendo como finalidade equipar o professor com um aparelho para
demonstração de fenômenos elétricos em nível de terceiro e segundo graus, em um
curso de eletromagnetismo, Laburu (1991) descreve a construção de uma Bobina de
25
Tesla. O artigo enfatiza quais práticas poderão ser feitas, com a demonstração do
efeito corona (o efeito de pontas), uma aplicação da gaiola de Faraday (blindagem
eletromagnética), a proteção do para raios, a “presença” do campo eletromagnético
no espaço, o efeito de altas tensões em gases sob baixas pressões, diferenças entre
descargas elétricas num rio e no mar.
Mais completos Chiquito e Lanciotti (2000) descrevem o funcionamento de
uma bobina de Tesla, apresentando os cálculos e o procedimento experimental para
detecção das ondas eletromagnéticas com um osciloscópio, deixando a cargo do
professor a proposta de aplicação em sala de aula.
Outro trabalho interessante é de Silva (2012). Seu estudo apresenta a
constituição e os cálculos envolvidos na construção da BT, assim como alguns
experimentos.
Vários sites descrevem a construção das mais diversas bobinas de Tesla;
porém, não apresentam aspectos didático-pedagógicos, apenas possíveis
experimentos com a bobina de Tesla. Dentre esses sites, destaca-se Netto (2012),
que apresenta todos os passos para a construção de uma bobina de Tesla pequena,
descreve alguns exemplos de demonstrações, como o efeito corona em um condutor
retilíneo fixado no extremo superior do terminal da BT, onde serão observadas
radiações azuis que parecem partir perpendicularmente em direção do fio.
Os artigos analisados não abordam como se devem tratar tais práticas no
aspecto pedagógico, mostra apenas como utilizar a bobina para realizar tais
experimentos, não apresentam um tutorial, ou sequência didática que possibilite
evidenciar a metodologia na aplicação. A nossa proposta se diferencia, pois
possibilita ao professor uma sequência para a introdução e discussão dos conteúdos
em sala.
2.5 Laboratório adotado para a execução da sequência didática
Verifica-se, no número de publicações, a importância de se pensar o ensino
de eletromagnetismo. Silva (2002) apresenta o laboratório de eletromagnetismo no
enfoque investigativo, apontando para a importância da discussão, e não propondo
um laboratório com repetições, como meras ilustrações da teoria. Aponta problemas
abertos, ao invés de experimentos fechados, possibilitando ao aluno interferir na
execução desses.
26
Ribeiro (1997), abordando o ensino experimental, salienta a importância da
problematização no ensino de Laboratório, além de enfatizar a dissociação entre os
textos utilizados e os roteiros propostos para as aulas práticas, levando os alunos a
assumirem uma postura de observadores externos à experiência que está sendo
feita. Ribeiro (1997) deixa claro: “o eixo permanente na interação entre pensar, sentir
e fazer é fundamental na produção de conhecimento”.
Nesse processo de experimentação, diversos autores apresentam diferentes
abordagens quanto ao uso do laboratório, sendo os laboratórios classificados,
segundo Borges (2002), como Estruturado e não Estruturado.
O Laboratório Estruturado de acordo com Rosa (2013), é também chamado
de acadêmico, tradicional, convergente ou tipo receita. Ramos (2009) evidencia que
nesse laboratório os alunos realizam os procedimentos experimentais seguindo as
orientações de uma proposta. Ou seja, os alunos recebem um roteiro com as
instruções passo a passo, no qual são descritos os pormenores da execução do
experimento. Esse laboratório possibilita a execução do experimento em um tempo
pré-determinado.
O Laboratório não Estruturado não possui um roteiro. Esse processo
possibilita aos alunos desenvolver seu procedimento. Para Rosa (2013) é chamado
de experimental, aberto, divergente, por descoberta. Para Ventura e Nascimento
(1992) a análise experimental deve ser apresentada em relatório que contempla de
maneira clara o procedimento experimental adotado, os resultados de medições
acompanhados de uma análise que equacione as variáveis envolvidas na
manipulação do fenômeno físico e uma conclusão. Assim, torna o aluno agente
transformador no processo de investigação, cabendo a ele inferir o procedimento
para execução do experimento. Possui uma abordagem interessante, porém o
tempo de execução é a principal deficiência do procedimento.
No que tange à compreensão dos conteúdos em consequência do tempo
disponível para realizá-lo, o tipo de laboratório adotado influi na qualidade da
aprendizagem dos conceitos abordados. Estudos como Gonçalves e Moreira (1980)
mostram que o laboratório não estruturado utiliza um tempo maior na execução da
experimentação. Todavia, Borges (2002) defende o uso do laboratório não
estruturado, pois possibilita ao aluno uma maior participação no processo
experimental analisado. Entretanto, é de consenso de todos que apenas o uso de
27
laboratórios para o ensino de ciências não resolve as dificuldades da aprendizagem
dos conceitos científicos.
2.6 A nossa proposta
Baseando-se nos pressupostos de Vigotski (2007) de que o ensino deve ser
relevante à vida, a presente proposta foi desenvolvida com o objetivo de tornar o
conhecimento útil na solução de problemas práticos, possibilitar a manipulação de
instrumentos e materiais, e, ao contextualizar os fenômenos observados, levar o
estudante de engenharia à formação crítica quanto ao contexto tecnológico no qual
esteja inserido. Atendendo a esse propósito, a sequência didática com a bobina de
Tesla parte da implementação dos artigos analisados que mostram como construir a
BT. Essa proposta diferencia-se das demais ao apresentar sugestões de
experimentos sob a ótica dos conceitos sócio-históricos de Vigotski.
A proposta desta dissertação apresenta o roteiro experimental tendo a
atenção voltada para a geração, transmissão e detecção das OEM. Segundo
Vigostski (1999), para a formação de conceitos, a síntese deve ser combinada com a
análise, para que na transferência do abstrato para o concreto o aluno consiga
aplicar os conceitos apreendidos em outras situações. Nesse sentido, parte-se de
um debate sobre a história da ciência, seguindo, em cada tópico experimental,
exercícios conceituais, aliados às aplicações desses conceitos no dia a dia.
Apresentam-se aspectos da história da ciência que possibilitem ao estudante
entender a construção da BT, e, principalmente, o motivo da sua invenção por Nikola
Tesla. Em anexo (Apêndice C), apresentam-se passo a passo a construção da BT e
as referências sobre os cálculos necessários ao processo de sua construção e
funcionamento.
Na proposta com a BT, usa-se uma lâmpada fluorescente para visualizar a
área de atuação do campo eletromagnético e um voltímetro e frequencímetro para
analisar as características da OEM gerada pela bobina de Tesla. O uso da BT
proposto na presente sequência didática se diferencia quanto aos aspectos
metodológicos para aplicação em sala de aula, pois possibilita o desenvolvimento da
aprendizagem utilizando a concepções espontâneas dos alunos e apresenta em sua
sequência o surgimento de signos trabalhando a Zona de Desenvolvimento Proximal
de cada aluno. Esta proposta também se diferencia das demais quanto à própria
28
construção da BT. nos artigos e sites analisados, os protótipos foram construídos
pelo professor. Ao contrário, todo o processo de construção da BT usada neste
trabalho foi realizado pelos alunos na disciplina de Circuitos Elétricos I, sob a
coordenação do professor autor desta dissertação.
29
3 REFERENCIAL TEÓRICO- PEDAGÓGICO
Para a elaboração, aplicação e análise dos resultados obtidos após a
execução da sequência didática, utilizamos como referencial a teoria sócio-histórica
de Vigotski, sobre a qual faremos uma breve explanação, atendo-nos aos principais
pontos e à forma como iremos aplicá-los no trabalho.
3.1 Introdução
De acordo com Vigotski (2001), o desenvolvimento e o aprendizado estão
diretamente relacionados. Há dois tipos de mediadores no processo de
aprendizagem: os instrumentos e os signos. Estes são representações mentais que
substituem objetos do mundo real. As interações nesse processo possibilitam o
desenvolvimento das representações e essas levam ao aprendizado.
Mesmo seus estudos sendo voltados, prioritariamente, para crianças, Vigotski
analisou o processamento da formação de conceitos em crianças, adolescentes e
adultos, comparando o desenvolvimento de conceitos espontâneos e científicos. O
autor demonstrou que as crianças não se diferem dos adolescentes e dos adultos
pela forma como compreendem os problemas, mas pela forma como o seu espírito
opera para atingir os objetivos na resolução dos mesmos.
Vigotski (2007)1, propõe em seu trabalho uma correlação entre o brinquedo e
a instrução escolar e como a instrução, e, o aprendizado na escola estão avançados
em relação ao desenvolvimento cognitivo da criança, essa correlação é feita por
meio da zona de desenvolvimento proximal. Para esse processo, a criança utiliza o
brinquedo para se projetar nas atividades adultas de sua cultura e ensaia papéis e
valores futuros. A escolha das teorias de Vigotski como referencial pedagógico se
deve à visão do autor quanto à relação professor-aluno, pois ele evidencia, em sua
obra, o papel do professor como mediador do conhecimento. Fazendo analogia
entre o uso de brinquedos e a experimentação, propiciamos um ambiente que
possibilite ao aluno o desenvolvimento de conceitos. Organizamos a sala em grupos,
destacando o professor como mediador do processo, envolvendo aluno e professor
em uma dinâmica de busca do conhecimento.
1 Vale ressaltar que Vigotski publicou seus trabalhos entre 1924 e 1934. Estamos, porém, usando
reedições desses trabalhos.
30
O ensino representa o meio através do qual o desenvolvimento avança sob a
forma de conteúdos socialmente elaborados do conhecimento humano em
estratégias cognitivas evocadas. O autor continua:
É precisamente com auxílio dos problemas propostos, da necessidade que surge e é estimulada, pelos objetivos colocados perante o adolescente que o meio social circundante o motiva e o leva a dar esse passo decisivo no desenvolvimento do seu pensamento onde o meio não cria os problemas correspondentes, não apresenta novas exigências, não motiva nem estimula com novos objetivos o desenvolvimento do intelecto, o pensamento do adolescente não desenvolve todas as potencialidades que efetivamente contém, não atinge as formas superiores ou chega a elas com um extremo atraso. (VIGOTSKI, 2001,p.171).
A sequência didática experimental aborda os conceitos de ondas
eletromagnéticas, sugere o trabalho em grupo e possibilita um ambiente de
cooperação. Nesse ambiente o aluno explorará conceitos que dificilmente seriam
percebidos por ele isoladamente, buscando evocar, através de signos e da
mediação entre professor e aluno, e aluno/aluno, aspectos próprios do cotidiano
desses. Assim, procura-se não apenas a formação de conceitos, mas uma formação
crítica do aluno quanto às questões conceituais e históricas do desenvolvimento
tecnológico.
3.2 Análise dos conceitos pedagógicos de Vigotski
Lev Semyonovitch Vigotski nasceu em 5 de novembro de 1896, em Orsha, na
Bielorrúsia, e faleceu em 11 de junho de 1934 em Moscou. Dedicou-se,
intensivamente, ao estudo do comportamento humano a partir de 1924.
Entre 1925 e 1934 Vigotski reuniu em torno de si um grande grupo de jovens
cientistas, que trabalhavam nas áreas da Psicologia e no estudo das anormalidades
físicas e mentais (VIGOTSKI, 2007). Na mesma época, estudou Medicina e,
posteriormente, dirigiu o Departamento de Psicologia do Instituto Soviético de
Medicina Experimental. Morreu precocemente de turbeculose aos 37 anos.
Devido à censura, os trabalhos de Vigotski foram proibidos na antiga União
das Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS). No entanto, seus trabalhos ganharam
destaque em 1962, com a publicação da sua monografia intitulada Pensamento e
Linguagem. A partir de 1980, surgiu um crescente estudo de seus trabalhos, os
quais são reeditados até os dias atuais. De acordo com Ramos (2009), as traduções
31
das obras escolhidas de Vigotski, em edições bem cuidadas, aparecem a partir de
1980.
A teoria desenvolvida por Vigotski evidencia que o desenvolvimento humano
se dá através da relação sujeito e natureza, utilizando-se de signos. Através do
surgimento de novas funções intelectuais, surgem na criança novas estruturas de
pensamento. O gesto é o signo visual inicial que contém a futura escrita. Os gestos
são a escrita no ar e os signos escritos são, frequentemente, simples gestos que
foram fixados ( VIGOTSKI, 2007).
Vigotski, em sua obra, valoriza a interação aluno e professor, posicionando o
professor como mediador do conhecimento no processo de ensino e aprendizagem.
O presente trabalho vai ao encontro às teorias de Vigotski, pois na forma como a
sequência didática foi montada, questionamentos e indagações feitos pelo professor
possibilitam tal mediação. Vigotski evidencia também que, apesar do processo de
ensino estar completo e inseparavelmente atrelado ao processo de
desenvolvimento, esses se diferem quanto ao seu desenvolvimento.
Nesse contexto, Vigotski salienta que a relação aprendizagem e
desenvolvimento estão na zona de desenvolvimento proximal:
A zona de desenvolvimento proximal, ela é a distância entre o nível de desenvolvimento real, que se costuma determinar através da solução independente de problemas, e o nível de desenvolvimento potencial, determinado através da solução de problemas sob a orientação de um adulto ou em colaboração com companheiros mais capazes. (VIGOTSKI,2007, p. 97).
No processo de desenvolvimento e na capacidade de aprendizado, Vigotski
aponta dois níveis: o nível de desenvolvimento proximal e o desenvolvimento real ou
potencial. No nível de desenvolvimento real as funções já amadureceram, enquanto
que o nível de desenvolvimento proximal é definido como aquele em que as funções
ainda amadurecerão: são os “brotos” e “flores” que se transformarão em frutos. No
presente estudo supõe-se que os alunos estejam no nível de desenvolvimento
proximal na abordagem inicial, acompanhando a exibição do documentário “Tesla,
Mestre dos Raios” e fazendo indagações sobre as funções dos componentes que
formam o aparato experimental. Espera-se que o conceito de campo
eletromagnético e seus princípios de geração, transmissão e recepção, apontados
neste trabalho, venham a constituir os “frutos” do desenvolvimento proximal,
incorporando-se ao desenvolvimento real.
32
Por meio da zona de desenvolvimento proximal permite-se delinear o futuro
imediato da criança e seu estado dinâmico de desenvolvimento, propiciando o
acesso não somente ao que já foi atingido através do desenvolvimento como
também àquilo que está em processo de maturação (VIGOTSKI, 2007). O estudo
aqui apresentado vai ao encontro das teorias de Vigotski ao apresentar uma
sequência didática que procure detalhar o aparato experimental, com cada parte
dando subsídios para a parte seguinte, fornecendo ao aluno suporte teórico e
desafios para se chegar à formação dos conceitos.
A teoria de Vigotski é primariamente indutiva, possuindo uma dinâmica
própria que possibilita entender o desenvolvimento humano. Vigotski (2007) destaca
a influência do meio em que a criança se insere como fundamental no processo de
aprendizagem e enfatiza que a relação do homem com esse meio não ocorre de
forma direta, mas mediada por instrumentos e signos. Nesse sentido, procura-se,
nessa proposta experimental, contextualizar a experimentação, abordando os
conceitos de ondas eletromagnéticas com as aplicações tecnológicas do meio social
do aluno.
3.3 Os conceitos pedagógicos de Vigotski no contexto educacional
Para Vigotski, o ato de brincar caracteriza a iniciação do processo de
aprendizagem, possibilitando a expansão dos conceitos através da imaginação.
Porém, ao contrário de outras experiências, como chupar chupeta, o ato de brincar
não é simplesmente uma situação prazerosa, é o ato em que a criança coloca-se em
situação imaginária com a realidade. Sendo assim, qual o significado do
comportamento de uma criança numa situação imaginária?
Vigotski (2007) descreve o ato de brincar como uma encenação da realidade.
Tão logo se retirasse a situação imaginária do ato de brincar, restariam apenas
regras, o que caracteriza uma situação sem prazer. No entanto, é no brinquedo que
a criança aprende a agir na esfera cognitiva, tendo ação e significado dependendo
das motivações externas. Não conseguindo separar o pensamento do objetivo real,
o brinquedo fornece um estágio de transição nessa direção. Faz-se essa conexão no
presente estudo através da experimentação.
Wallon (2007) corrobora essas idéias ao afirmar que o brincar parece com
uma exploração jubilosa ou apaixonada, que tende a pôr à prova todas as
33
possibilidades das funções; é o desejo de fazer tocar seus limites. O ato de
experimentar descrito nesta dissertação, assim como o brinquedo, possibilita um
estímulo, pois a participação ativa do aluno permite que ele expresse opiniões e,
assim, o professor pode entender como o aluno percebe o mundo, o que ele
conhece do conteúdo, fazendo da experimentação o papel do brinquedo na esfera
cognitiva.
O ato de brincar é uma forma mais simples de atingir o desenvolvimento. De
acordo com Vigotski (2007), embora no brinquedo a criança seja livre para
determinar suas próprias ações, esse brinquedo tem vários significados de acordo
com a idade. Esse brinquedo se inicia como um jogo sério aos três (03) anos; passa-
se a uma atividade limitada, na pré-escola; transformando-se em uma atividade que
permeia a realidade na idade escolar. Para Vigotski o brinquedo possibilita a
situação imaginária, a imitação e as regras. Ao brincar, a criança cria uma situação
imaginária na qual assume um papel que inicialmente é a imitação de um adulto
observado. Dessa forma ela traz regras de comportamento próprias, culturalmente
constituídas, e, em seguida ela se afasta da imitação e passa a construir novas
combinações e novas regras. Neste contexto a brincadeira possibilita que a criança
execute uma tarefa mais avançada do que a de costume para a sua idade. Vigostski
conclui que em todas as etapas o brinquedo é um agente na zona de
desenvolvimento proximal.
Análogo ao brinquedo, a experimentação descrita neste trabalho possibilita,
através da imaginação, a contextualização do experimento perante a tecnologia,
possibilitando a aprendizagem dos conceitos. Para Wallon (2007), é o livre inventário
dessas contextualizações ou das disponibilidades funcionais que possibilitam a
aprendizagem.
Vigotski (2007), apresentando uma demonstração elaborada, mostra que a
linguagem, o brinquedo e o uso de signos possibilitam o desenvolvimento do
processo de aprendizagem. Deleuze (2003) corrobora as idéias de Vigostki ao
evidenciar que “alguém só se torna marceneiro tornando-se sensível aos signos da
madeira, e médico tornando-se sensível aos signos da doença”. Ninguém decifra um
código, portanto, sem criar, no momento da decifração, uma nova sensibilidade.
Busca-se na sequência didática, através da experimentação, fazer uma relação
entre o aprendizado escolar com o desenvolvimento tecnológico.
34
3.4 A formação dos conceitos
Para Vigotski, o uso de instrumentos e o uso de signos, numa junção com o
meio social, são intrínsecos à formação de conceitos. A apropriação do
conhecimento é impulsionada pelo meio onde a criança se insere. Assim, cabe aos
professores a escolha dos instrumentos, possibilitando o uso de signos, através do
meio social. Esse meio possibilita a relação da criança com seus semelhantes.
Vigotski (2001) evidencia que a linguagem é o próprio meio através do qual a
reflexão e a elaboração da experiência ocorrem. Essa relação entre indivíduo e
sociedade ocorre de forma dialética. A fala atua como organizadora da integração
dos aspectos variados do comportamento infantil, como a percepção, a memória e a
solução de problemas. Em nossa proposta, partimos de situações do dia a dia,
levando à discussão de conceitos, como o funcionamento do sistema de telefonia,
para através desse, compreender os conceitos físicos abstratos, possibilitando ao
aluno uma relação dialética com o observado.
A gênese dos conceitos é um processo criativo e não mecânico e passivo.
Um conceito surge e toma forma no decurso de uma complexa operação orientada
para a resolução de um problema, e a simples presença das condições externas que
favorecem uma relação mecânica entre a palavra e o objeto não bastam para
produzir um conceito (VIGOTSKI, 2001). Quando o aluno começa a aprender o
significado de campo eletromagnético, ele não formou ainda o conceito de campo
eletromagnético. Essa formação acontece através de mecanismos psicológicos mais
complexos, indo de uma vaga noção ao conceito propriamente dito.
Segundo Vigotski, a percepção da existência de problemas, o estágio das
tentativas e erros e o pensamento complexo definido como uma forma de ver o
mundo possibilita à criança iniciar-se na formação de conceitos. Para solucionar
problemas, ela começa a agrupar de forma desorganizada os objetos, além da
relação dos objetos com o seu significado, a qual se dá com o uso de signos e
instrumentos por meio da atividade mediada. Cunha (2011), citando Vigotski,
salienta que nessas interações a linguagem se apresenta como o principal sistema
simbólico utilizado pelos grupos humanos; por meio dela, os conhecimentos
produzidos pela humanidade são veiculados.
Vigotski evidencia que a formação do conceito se dá em um processo
sociocultural em que o meio influencia diretamente esses conceitos e, para a
35
mesma, é necessário o uso de signos e instrumentos. Porém, a relação entre a
linguagem e o objeto por si não forma conceitos; esse processo acontece perante o
surgimento de um problema que não possa ser resolvido doutra forma, a não ser
pela formação de novos conceitos. A sequência didática está organizada, de forma a
possibilitar o surgimento de indagações em que as respostas surgirão após a
formação dos conceitos. Para isso partimos dos conhecimentos dos alunos
previamente à formação dos conceitos científicos. Assim, o pseudoconceito constitui
o elo entre a forma de ver o mundo e o estágio final e superior do desenvolvimento
dos conceitos, o que, segundo Vigotski (2001), é a regra, mais do que a exceção, no
desenvolvimento intelectual das crianças.
3.5 A formação dos conceitos científicos
Os professores de ciências imaginam que o espírito científico começa como uma aula, que é sempre possível reconstruir uma cultura falha pela repetição da lição, que se pode fazer entender uma demonstração repetindo-a ponto por ponto. Não levam em conta que o adolescente entra na aula de Física com conhecimentos empíricos já constituídos: não se trata, portanto,de adquirir uma cultura experimental, mas sim de mudar de cultura experimental, de derrubar o obstáculo já sedimentado pela vida cotidiana. (...) Toda cultura científica deve começar por uma catarse intelectual e afetiva. Resta, então, a tarefa mais difícil: colocar a cultura científica em estado de mobilização permanente, substituir o saber fechado e estático por um conhecimento aberto e dinâmico, dialetizar todas as variáveis experimentais, oferecer enfim à razão razões para evoluir (BACHELARD,1996).
Em seus trabalhos, Vigotski diferencia o conhecimento científico dos
conhecimentos adquiridos com a vivência do aluno, conhecidos como concepções
espontâneas. É consenso, na comunidade de pesquisadores em Educação em
Ciências, que estudantes venham para a sala de aula com um repertório de
aplicações para os fenômenos e conceitos científicos que são diferentes daqueles
ensinados na escola (SHOROEDEGER, 2007).
Para Vigotski, uma concepção espontânea, mesmo incorreta, não é obstáculo
à aprendizagem do conceito correlato e sim um elemento de apoio a essa
aprendizagem, sendo a ausência desses conceitos espontâneos um fator relevante
que dificulta a compreensão dos conceitos científicos. Nesse sentido, Ramos (2009),
citando Vigotski, evidencia que os conhecimentos científicos adquiridos pela criança
em idade escolar não podem ser adquiridos por um processo mecânico. A aquisição
36
acontece seguindo relações de influências entre o desenvolvimento dos conceitos
espontâneos e dos conceitos não espontâneos através das Zonas de
Desenvolvimento Proximal.
Vigotski denomina de científico todo conhecimento sistematizado, construído
socialmente e apropriado em situações de ensino e aprendizagem na escola,
resultando no desenvolvimento das capacidades superiores, tais como atenção,
memorização, abstração, generalização, imaginação, entre outras (VIGOTSKI,
2001). Contrário aos conceitos científicos, os conceitos espontâneos, segundo
Vigotski, são aqueles elaborados em situações e ambientes informais, no decorrer
das experiências adquiridas no dia a dia, por meio de suas percepções sensoriais.
De acordo com Vigotski (2001), a construção de conceitos científicos se dá na
execução de atividades bem elaboradas e estruturadas em um ambiente
educacional. Essas atividades devem ser aplicadas com o auxílio do professor,
contribuindo diretamente na formação dos conceitos pelos alunos. O presente
estudo foi desenvolvido em uma sequência experimental, com o objetivo de fazer
emergir essas concepções e proporcionar a formação de conceitos científicos,
através de uma sequência didática teórico-experimental e dinâmica, possibilitando a
troca de informações entre professor e aluno, e entre os alunos.
Nesse processo de formação dos conceitos científicos, os alunos conseguem
se elevar a outro nível: segundo Bachelard (1996), elevam-se para a formação do
espírito científico. Para isso, o aluno explora os conceitos por ele construídos e
estes, na maioria das vezes, vão contra os existentes nas referências adotadas, o
que segundo Vigotski define como concepções espontâneas.
A ciência é uma busca de respostas para entender a natureza, mas sempre
questionando-a. O ato de analisar a natureza é fundamental para a formação do
cientista. Deve o professor possibilitar ao aluno meios para formular tais questões,
posicionando-se, segundo Vigotski, como o mediador do conhecimento.
Vigotski, referindo-se ao ensino, salienta:
A experiência pedagógica nos ensina que o ensino direto de conceitos sempre se mostra impossível e pedagogicamente estéril. O professor que envereda por esse caminho costuma não conseguir senão uma assimilação vazia de palavras, um verbalismo puro e simples que estimula e imita a existência dos respectivos conceitos na criança mas, na prática, esconde o vazio. (VIGOTSKI, 2001, p. 247).
37
Então, cabe aos professores buscarem formas para ensinar aos alunos,
possibilitando a conexão entre as concepções científicas e as não científicas. É
necessário salientar que tais concepções espontâneas ocorrem em variadas faixas
etárias escolares. Zylbersztajn (1981), no trabalho realizado com estudantes de
Engenharia, nos Estados Unidos, mostrou que, independemente da política
educacional e do grau de escolaridade, essas concepções são inerentes ao ser
humano e necessita-se que os professores façam emergir nos próprios alunos essas
concepções, e que lhes possam ensinar. Assim, acreditamos que ao montarmos a
sequência didática, estabelecendo uma ordem entre as partes, começando com a
exibição do documentário, seguindo com a exposição e abordagem experimental em
um contexto tecnológico, estaremos propiciando ao aluno condições para
problematizar quanto da exposição experimental, evocando as concepções
espontâneas e possibilitando a formação de conceitos de forma mais significativa.
3.6 Metodologia: Aplicação das idéias de Vigotski no trabalho proposto
Mostraremos, nesse tópico, como pretendemos fazer uso das idéias de
Vigotski na sequência didática aqui proposta.
Ao iniciar os estudos nas disciplinas de Física II ou Teoria Eletromagnética,
espera-se que o aluno já apresente um nível de cognição necessário para
aprendizagem dos assuntos que serão estudados como os conceitos de indutâncias,
campo magnético e elétrico. Assim, fazendo uso da visão de Vigotski (2001), esses
assuntos já se encontram dentro da zona de desenvolvimento proximal do aluno.
Para Vigotski (2007), um conceito é algo mais que a soma de certas ligações
associativas formadas pela memória. Ao evidenciar que as disciplinas formais
contribuem para o desenvolvimento do intelecto dos alunos, Vigotski (2001) está
salientando que a formação de um conceito é própria do ato de pensar, o qual só
pode ser realizado, quando o desenvolvimento mental tiver atingido o nível
necessário. Assim, ao estarem dentro da zona de desenvolvimento proximal,
queremos, ao executar as atividades, levá-los à zona de desenvolvimento real ou
potencial.
Continuando, Vigotski (2001) afirma que os conceitos formados em uma
disciplina auxiliam na formação de novos conceitos em outras disciplinas. Ao
propormos uma sequência didática que explore o comportamento e propriedades
38
das ondas eletromagnéticas, pretendemos que os alunos compreendam conceitos
relativos à geração e transmissão de uma onda eletromagnética para que
futuramente possam aplicá-los noutras disciplinas, como Linha de Transmissão,
Antenas e Propagações, Máquinas Elétricas e outras disciplinas afins na Engenharia
Elétrica.
Propomos uma sequência relacionando os conceitos científicos teóricos com
a prática, conduzindo o aluno a exercitar funções intelectuais na análise dos
resultados. Por estarem dentro da zona de desenvolvimento proximal, as atividades
foram propostas em grupos com o acompanhamento do professor, pois, ao discutir
os resultados encontrados com outros grupos, eles podem ser levados, mediante a
intervenção do professor, ao debate de suas explicações acerca dos fenômenos
observados.
39
4 METODOLOGIA ADOTADA E A EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE FÍSICA
4.1 Introdução
Para montarmos esse material, analisamos, além da escolha do laboratório,
os seguintes aspectos:
Área da Física que apresente fenômenos interessantes: escolhemos o
eletromagnetismo, por estar presente em tudo e ser apaixonante e
aterrorizante em seus fenômenos, como por exemplo as descargas
atmosféricas.
Abordagem histórica e conceitual quanto ao aspecto tecnológico: nesse caso,
a escolha do documentário “Tesla, Mestre dos Raios” possibilita mostrar os
conceitos, a história da BT e a contribuição desta para o desenvolvimento
tecnológico e possibilitar uma boa introdução para a sequência didática.
Experimento que despertasse a curiosidade: escolheu-se a BT por ser
magnífico o seu funcionamento e fenômenos físicos das suas descargas.
Para conseguirmos este objetivo, adotamos os artigos Chiquito e Lanciotti, Jr
(2000); Laburu e Arruda (1991) e Borges (2013). Os dois primeiros trabalhos
apresentaram a BT, o terceiro contribui mostrando uma nova abordagem para
ensinar ciências.
O ato de experimentar possibilita pôr a natureza à prova. Ao experimentar, o
aluno manuseia equipamentos, faz medições e inferências no processo de
aprendizagem. Aulas práticas possibilitam ao aluno um melhor desenvolvimento dos
conceitos científicos, leva à contextualização numa abordagem objetiva do seu
mundo e um despertar de curiosidades. Com este objetivo, escolhemos para
conduzir o procedimento de ensino o texto “Ensino de Física no Brasil segundo
Richard Feynman”, Feynman (2012). Este texto mostra como o fazer ciência é
fundamental para o ensino de Física.
A melhor maneira de aprender é fazendo. Um experimento é usado para
testar a validade de uma teoria ou para ilustrar um conceito científico. Nesse
processo os alunos trabalham de forma similar aos cientistas: observam,
experimentam, investigam, e, como citado, testam a validade de uma teoria.
É de consenso dos pesquisadores em Ensino de Física a importância do
ensino experimental como suporte no processo de ensino e aprendizagem. Todavia,
40
a experimentação sem um apoio de uma estratégia de ensino não é suficiente.
Apenas manipular equipamentos não possibilita ao aluno uma relação entre a teoria
e a prática, assim como a abordagem conceitual sem a experimentação não
possibilita a formação crítica do aluno quanto aos fenômenos físicos estudados.
Porém, esses conceitos, aliados à experimentação, com suporte em uma boa
didática, posibilitam o estímulo do aluno na busca pelo conhecimento.
O texto de Grandinni e Grandinni (2013) trouxe-nos uma grande contribuição,
pois apresenta como o aluno vê a experimentação no ensino de Física. Na proposta
aqui descrita faz-se uma exposição experimental com o objetivo de despertar a
curiosidade do aluno quanto aos conceitos científico presentes no funcionamento da
BT. Seguindo-se a sequência experimental, passa-se à análise dos conceitos
presentes na OEM gerada pela BT.
4.2 Transposição Didática: instrumento transformador no processo de ensino
de física.
Ao ensinar os conceitos científicos, o professor deve estar atento à
linguagem adotada e ao contexto socioeducacional dos alunos, a fim de interferir no
processo de ensino e aprendizagem. Esse processo de ensino é articulado pelas
propostas pedagógicas que levam em consideração fatores sociais e econômicos.
Essas articulações acontecem através do processo chamado de transposição
didática, e, através desse processo, faz-se a contextualização e interdisciplinaridade
dos conceitos a serem ensinados.
Segundo Polidoro e Estigar (2010), a Transposição Didática é um
“instrumento” para análise da transição entre o saber sábio (aquele que os cientistas
descobrem) e o saber a ensinar (aquele que está nos livros didáticos). Logo, o saber
ensinado é o que realmente acontece em sala de aula. Aqui vale ressaltar a
importância da escolha de dispositivos que permitam essa transição.
Dominguini (2008) evidencia que o saber sábio é um conhecimento apurado,
elaborado através de uma atividade criteriosa, pois segue um método de
investigação através da observação, coletando dados a fim de se formular hipóteses
para explicar um fenômeno. Em seguida, realiza-se o teste experimental da hipótese
com o objetivo de reproduzir artificialmente o fenômeno natural e testar as hipóteses
através da comparação dos resultados obtidos nos experimentos científicos. Assim,
41
a construção, os cálculos e as pesquisas com a geração e transmissão de OEM
realizadas por Nikola Tesla com a Bobina de Tesla configuram o saber sábio,
enquanto a nossa proposta em relação à bobina de Tesla é definida como saber a
ensinar.
A transição desse processo é a transposição didática, a adaptação desse
conhecimento científico para o conhecimento ensinado, pois a linguagem adotada
em sala de aula por professores e alunos não é a mesma adotada pelo cientista.
Chevallard, citado por Dominguini (2008, p.11), afirma que:
O conhecimento passa pelos seguintes processos: “nascimento na comunidade acadêmica, assumindo modalidades e funções diferentes; exposição e difusão; reprodução e reconstrução social – produção didática, na qual as exigências não são as mesmas da produção acadêmica”.
O conhecimento escolar, portanto, não é uma reprodução fiel do
conhecimento científico. A transposição didática faz a adaptação desses conceitos
para uma aplicação em sala de aula.
É nesse processo que alunos e professores confrontam novos
conhecimentos, decodificando ou transpondo para a aprendizagem em sala de aula,
fazendo emergir as concepções espontâneas, confrontando-as, sendo conduzidos a
analisar fatos e princípios e, por um processo dialético, são levados à compreensão
de novos conceitos.
Ao adotar-se a bobina de Tesla como ferramenta para o ensino de
eletromagnetismo, procura-se contextualizar os conceitos abordados, possibilitando
ao aluno refletir sobre aspectos sociais e tecnológicos, uma vez que através da
observação dos fenômenos na experimentação ele possa analisar conceitos
presentes no seu dia a dia. Ramos (2009) salienta que na elaboração dos
procedimentos didáticos não se deve preocupar somente com o que se quer que o
aluno saiba, é preciso levar em consideração aquilo que o aluno pensa, para que
assim se possa atingir os objetivos desejados.
4.3 O laboratório estruturado e a proposta vigente
Independentemente do tipo de laboratório adotado, é de consenso dos
pesquisadores em ensino que a adoção do laboratório no ensino de Física permite
aos alunos explorar os conceitos estudados, aliados à realidade.
42
Escolhemos o laboratório estruturado devido à quantidade de conceitos a
serem analisados e ao curto período de tempo disponível para execução. Entende-
se que em nossa proposta adota-se o laboratório estruturado, pois os alunos
recebem um roteiro. Porém, os objetivos não são delimitados anteriormente. Por
exemplo: ao colocar a lâmpada próxima à BT, os alunos não tinham conhecimento
quanto ao que iria acontecer. Não foi uma experimentação para comprovar uma
teoria, mas sim para mostrar ao aluno que as ondas eletromagnéticas exerciam uma
influência na lâmpada. Porém, questiona-se o porquê dessa influência. Foram
propostas explicações em grupo e, após as apresentações dessas, o professor fez a
abordagem quanto aos aspectos teóricos envolvidos.
Preocupamo-nos, ao confeccionar os roteiros, em apresentar o passo a passo
para a execução da sequência didática. A execução da sequência dos experimentos
se deu de forma detalhada, a fim de possibilitar o surgimento das concepções
espontâneas nos alunos e para que, após a apresentação das explicações sobre o
fenômeno observado, o professor pudesse apresentar a explicação de cada
fenômeno analisado, contribuindo no processo de aprendizagem.
Com o propósito de ir além do simples ato de encontrar uma resposta, o que
se busca é que o aluno observe, reflita, analise e discuta os fenômenos observados.
A avaliação desse processo foi de forma continuada, através de debates após cada
equipe apresentar seus resultados. Os alunos confeccionaram também um texto,
associando os diversos aspectos analisados com o dia a dia do aluno. A seguir
apresentamos o produto no qual consta a historia aplicação e funcionamento da BT.
4.4 Elaboração do texto como instrumento de avaliação
Na presente proposta, utilizamos como instrumento de avaliação, o
desenvolvimento de um texto dissertativo. Esse texto foi desenvolvido uma semana
após a aplicação da sequência didática e escolheu-se esse intervalo de tempo com
o objetivo de avaliar se os alunos tinham assimilado as informações analisadas.
Para o desenvolvimento do texto, o professor fez algumas ponderações sobre os
temas que nele deveriam estar presentes. A título de ilustração apresenta-se o
enunciado:
Faça um texto frente e verso na folha, contendo: A constituição da BT,
criação, transmissão e detecção do campo eletromagnético criado pela BT. No
43
mesmo, faça uma correlação com as equações de Maxwell e o aparato analisado.
Contextualize as primeiras pesquisas sobre o rádio e o experimento analisado.
Optamos por serem abertas as questões formuladas pelo fato de que
permitem aos participantes expressarem seu pensamento com liberdade.
44
5 PRODUTO
5.1 Apresentação
O produto desenvolvido neste estudo consiste numa sequência didática
experimental para o ensino de eletromagnetismo. Busca-se a construção do
conhecimento por meio da problematização, abordando-se a geração, a transmissão
e a detecção das ondas eletromagnéticas geradas pela BT.
Este estudo propicia ao aluno a formação dos conceitos básicos de
eletromagnetismo sob uma ótica pedagógica baseada nos conceitos sócio-históricos
de Vigotski. O produto é dirigido aos professores de eletromagnetismo da
engenharia, com a sequência didática possibilitando ao docente fazer uma conexão
entre a teoria e a prática, além de uma aprendizagem através de questionamentos e
visualizações dos conceitos de OEM.
Os conceitos de eletromagnetismo são de fundamental importância na
formação acadêmica do estudante de Engenharia Elétrica. Sendo esses conceitos
abstratos, o uso de atividades experimentais serve como ferramenta nesse
processo, pois, através de análise experimental, os alunos são instigados à
criatividade e à reflexão acerca da aplicabilidade desses conceitos, possibilitando a
compreensão dos fenômenos relacionados por estudantes e professores.
Vigotski (2007) salienta que o surgimento de habilidades na solução de
problemas se dá pelo desenvolvimento de novas funções psicológicas e pelo uso
dos instrumentos e signos verbais. Propõe-se com isso uma abordagem
experimental para o ensino de geração e detecção das ondas eletromagnéticas,
buscando promover problematizações favoráveis à compreensão desses conceitos e
das equações de ondas eletromagnéticas.
Com o objetivo de formar uma visão crítica quanto ao desenvolvimento
tecnológico, propõe-se a discussão sobre a invenção do rádio e as suas
semelhanças e diferenças em relação à Bobina de Tesla.
5.2 Introdução
45
Essa sequência didática, baseada na teoria de Vigotski, possibilita, em cada
parte, o surgimento de signos, possibilitando o desenvolvimento das zonas de
desenvolvimento proximal e efetivo.
Para aplicação do produto adotamos diferentes estratégias:
A primeira se dá na exibição de um documentário, intitulado Tesla Mestre dos
Raios;
O professor exibe o documentário interrompendo-o a cada 15 minutos para
comentar os pontos importantes (criação e aplicações da BT): estes
comentários não deixaram a turma se dispersar.
Para a segunda, desenvolve-se um debate;
O debate deve frisar a contribuição de Tesla para o desenvolvimento da
telecomunicação. Porém, cabe ao professor observar o interesse da turma e
ponderar de acordo com suas observações.
A terceira estratégia é o uso de um artigo, abordando a história e a
construção da Bobina de Tesla;
O professor pode optar pelo artigo de Chiquito e Laciotti Jr ( 2000) ou pelas
informações na apresentação da Bobina de tesla, contidas nesta dissertação.
Em seguida, faz-se a demonstração do funcionamento da BT, explica-se a
função de cada componente do aparato experimental e equipamentos utilizados.
A quarta estratégia é a experimentação. Primeiro, identificam-se os
componentes responsáveis pelo funcionamento da BT. Os materiais e
cálculos referentes à construção do aparato são descritos em anexo. Os
alunos verificam, experimentalmente, a influência do campo eletromagnético
na lâmpada fluorescente. Em seguida, analisa-se a existência de tensão
elétrica no ar. Os alunos são indagados sobre como a tensão é transmitida
até o voltímetro e como ela influencia no brilho da lâmpada.
Após verificar a existência de tensão elétrica ao redor da bobina e observar
que a lâmpada acende sem conexão com a instalação elétrica da sala, segue-se a
discussão quanto aos conceitos de geração do campo eletromagnético, do efeito
dessas ondas na lâmpada e a relação entre a potência emitida pela lâmpada e a
distância da BT. O apêndice D, Funcionamento da Lâmpada fluorescente, possibilita
ao professor discutir sobre as diferenças entre brilho e luminosidade.
46
A duração da sequência didática está prevista para 500 minutos, ou seja, 10
horas /aula. Ressaltamos a importância de comentar os pontos importantes das
aulas anteriores, sempre que o professor for dar continuidade à execução da
sequência didática. Apresentam-se no Apêndice A, a proposta e as fotos para
ilustrar a montagem do experimento e a aplicação dessa sequência didática de
ensino.
5.3 Objetivos
5.3.1 Objetivo geral
Tem-se como objetivo geral propor uma sequência didática experimental que
visa a despertar o interesse do aluno para os conceitos relacionados ao campo
eletromagnético, promovendo problematizações favoráveis à formação desses
conceitos e possibilitando uma compreensão conceitual das relações matemáticas.
5.3.2 Objetivos específicos
1. Compreender a importância de Nikola Tesla para o desenvolvimento
tecnológico, enfatizando seu pioneirismo na transmissão de ondas de rádio
através da Bobina de Tesla;
2. Detectar a presença de campo eletromagnético gerado pela Bobina de Tesla,
utilizando uma lâmpada fluorescente;
3. Verificar, experimentalmente, a existência de tensão elétrica em torno da
bobina;
4. Calcular a potência das ondas eletromagnéticas transmitidas pela Bobina de
Tesla;
5. Identificar antenas transmissoras e receptoras de ondas eletromagnéticas;
6. Identificar semelhanças e diferenças entre as ondas geradas pela bobina e as
ondas de rádio.
5.4 Uso do vídeo “Tesla Mestre dos Raios”
47
Com o objetivo de apresentar aos alunos a importância das contribuições de
Tesla para a sociedade e despertar a curiosidade deles para o assunto, exibe-se o
documentário Tesla Mestre dos Raios, que retrata e a vida e obra de Nikola Tesla
(www.youtube.com/watch ).
Após o vídeo, organiza-se o debate, em que se abordam algumas questões,
como:
- Quem foi Tesla?
- Quais são os inventos de Tesla comentados no documentário que têm influência
direta em sua vida?
- Qual o objetivo da construção da bobina de Tesla? Ele foi alcançado? Explique-o.
- Quem inventou o rádio? Como essa questão é abordada no documentário?
A fim de possibilitar ao aluno várias abordagens para uma maior discussão
quanto ao tema, adotam-se questões abertas. Seguem, na sequência dessa
dissertação, algumas das questões aplicadas. Porém, o professor deve formulá-las
de acordo com a reação dos alunos na exibição do vídeo.
Com informações adquiridas ao assistir ao documentário e ao debate, passa-
se para a etapa de execução do experimento.
5.5 Materiais e equipamentos utilizados nas atividades experimentais
Os materiais necessários à execução da sequência didática são:
- bobina de Tesla constituída por: transformador neon, capacitor, indutor primário e
secundário e faiscador;
- cinco (5) lâmpadas fluorescentes de 40 W;
- multímetro, do qual serão utilizados o frequencímetro e voltímetro;
- cinco (5) trenas;
Os equipamentos e materiais podem ser observados na Figura 01.
Ressalta-se que, à exceção do transformador neon, todos os componentes da
bobina de Tesla foram construídos pelos alunos. Os detalhes dessa construção
encontram-se anexos a este material, no apêndice Construção da Bobina de Tesla.
48
Figura 1: Equipamentos e materiais para experimento
Fonte: foto de Reginaldo Eustáquio
5.6 Orientações para execução do experimento
O experimento faz uso da BT (Figura 9), da lâmpada fluorescente, do
voltímetro, do frequencímetro e de trenas (Figura 1).
Na primeira etapa, formam-se equipes e faz-se uma demonstração com a
bobina. Em seguida, os alunos respondem às questões do item 5.7.1 (Identificando
as partes constituintes da BT e a função de cada uma) para se familiarizar com os
componentes da bobina.
Estando os alunos aptos a continuarem - pois já conhecem as partes
constituintes e suas respectivas funções - passa-se à verificação do campo
eletromagnético criado pela bobina, utilizando uma lâmpada fluorescente com
potência nominal de 40 W. Cada equipe em torno da bobina aproxima e distancia a
lâmpada anotando suas observações quanto à percepção do brilho. Um voltímetro
usado como antena receptora é posicionado em pontos marcados e refaz-se o
procedimento (ligar a BT), a fim de observar a tensão elétrica transportada pelas
ondas eletromagnéticas. Nesse tópico, faz-se uma análise quanto à potência
transmitida das ondas emitidas pela bobina.
Após observar experimentalmente a influência das ondas eletromagnéticas na
lâmpada, segue-se para a identificação das partes que correspondem às antenas: a
Bobina de Tesla como antena geradora e a lâmpada como antena receptora. Com o
49
frequencímetro posicionado, liga-se a BT e registra-se a frequência da OEM.
Seguindo a sequência didática, inicia-se uma análise quanto às diferenças e às
semelhanças entre as ondas da bobina e as ondas de rádio. Essa análise remete o
aluno ao debate realizado após a exibição do vídeo.
Em cada atividade descreve-se a forma de execução, a fim de facilitar a
compreensão dos alunos e professores para a reprodução dessa sequência didática.
Porém, para iniciá-la necessita-se de conhecimentos básicos de eletromagnetismo,
como capacitância, indutância, campo elétrico e magnético, e, caso seja preciso, o
professor poderá consultar a teoria no final do produto ou as referências sugeridas.
5.7 Parte I – Analisando a bobina e o campo eletromagnético
5.7.1 Identificando os componentes da bobina e as finalidades de cada item
5.7.1.1 Material utilizado:
Bobina de Tesla (BT)
Identifique os itens listados abaixo, na Bobina de Tesla (BT), explique seu
funcionamento e descreva sua função:
a) transformador Neon;
b) faiscador;
c) capacitor;
d) indutor primário;
e) indutor secundário.
Nessa etapa o professor revisa conceitos sobre o funcionamento das partes
constituintes da bobina, podendo explorar as aplicações de alguns componentes nas
tecnologias existentes.
5.7.1.2 Resultados esperados
Espera-se que o aluno consiga identificar as partes constituintes. Porém,
quanto à função das partes, espera-se uma confusão entre as funções do indutor
primário e secundário, pois a função do indutor primário é criar um campo magnético
50
variável, o qual irá induzir uma corrente elétrica no secundário. Este, por sua vez,
criará o campo eletromagnético em torno de sua área. Os dados descritos na
carcaça do transformador Neon possibilitam o entendimento da função deste.
O capacitor possui a função de aperfeiçoar o sistema, armazenando e
descarregando no indutor primário. Sendo seu funcionamento de fácil entendimento,
acreditamos que os alunos responderão de forma correta. No entanto, a explicação
da função do faiscador deve estar além dos conhecimentos prévios dos alunos.
5.7.2 Detectando a presença de campo eletromagnético
5.7.2.1 Material utilizado:
1. bobina de Tesla;
2. trenas;
3. lâmpadas fluorescentes tubulares de 40 W.
Cada equipe, tendo uma trena em mãos, deve medir a distância a partir da
bobina, marcando diferentes pontos onde a lâmpada será colocada para observar a
influência do campo eletromagnético na lâmpada fluorescente, como está ilustrado
na Figura 2.
Figura 2: Posições para medir o brilho da lâmpada
Fonte: foto de Reginaldo Eustáquio
51
Em seguida, deve-se ligar a BT, variando a posição da lâmpada, começando
com um metro, depois posicionando a dois metros, e, finalmente, a três metros,
observando-se a intensidade do brilho para cada posição da lâmpada.
Refaça o experimento segurando a lâmpada a 0,3 m do solo (Figura 3);
OBS. A BT esta sobre o piso da sala.
Figura 3: Observando a influência das ondas eletromagnéticas
Fonte: foto de Reginaldo Eustáquio
1. Explique a dependência entre a potência emitida pela lâmpada e as
distâncias analisadas.
2. O que se pode concluir quanto ao item analisado? Explique.
3. Segure a lâmpada a 0,50m da sua extremidade inferior da lâmpada e
ligue a bobina. Segure na extremidade inferior da lâmpada e ligue a bobina.
Descreva o fenômeno observado. Explique.
5.7.2.2 Resultados esperados
Ao analisar a influência do campo eletromagnético na lâmpada, os alunos
poderão correlacionar a potência luminosa da lâmpada com a sua distância à BT.
Se a BT emitisse igualmente em todas as direções, a sua potência por área deveria
variar com o inverso do quadrado desta distância. Apesar da BT não emitir
52
isotropicamente, espera-se que a sua energia emitida se distribua por áreas maiores
à medida que se afasta da fonte e que, portanto, a energia transmitida à lâmpada
diminua com o afastamento. Isto resulta em uma diminuição da luminosidade da
lâmpada.
Ao refazerem o experimento segurando a lâmpada a uma distância de 30 cm
do solo e a 1m da BT, poderão observar que a potência emitida pela lâmpada será
menor do que para as distâncias analisadas com a lâmpada a uma distância de 1m
do solo e a 1m da BT. Isto ocorre porque a 30 cm do solo pode-se considerar como
se fosse uma BT pequena (30cm) e a 1m do solo temos uma BT com maior número
de espiras, o que possibilitará um campo eletromagnético mais intenso.
Quanto a segurar a lâmpada em partes diferentes desta, ocorrerá que o corpo
humano funciona como o ponto de aterramento, fechando o circuito. Logo, ao
segurarmos no meio da lâmpada, esta emitirá brilho apenas em sua metade. Ao
segurarmos em sua extremidade, toda a lâmpada emitirá brilho.
5.7.3 Verificando a presença de tensão elétrica associada às ondas
eletromagnéticas
5.7.3.1 Material utilizado:
1. bobina de Tesla;
2. trena;
3. voltímetro.
a) Cada equipe, tendo um voltímetro em mãos, deve posicionar-se nos
pontos marcados. Coloque as pontas de prova do voltímetro voltadas para o teto
como está mostrado na Figura 4. Ligue a BT, afaste o multímetro e registre a
intensidade da tensão para as seguintes distâncias, entre as pontas de prova e a
BT:
1,0m; 2,0m; 3,0m e 4,0m;
53
Figura 4: Medindo a tensão elétrica, ao fundo está a Bobina de Tesla
Fonte: foto de Reginaldo Eustáquio
Refaça o item a, segurando o voltímetro a 0,3m do piso.
a) O que se pode concluir? Explique.
b) Como é possível existir tensão no ar?
c) Pode-se afirmar que o brilho da lâmpada depende da tensão aplicada? Por
quê?
d) Ondas se propagando entre duas antenas (similares às usadas em
telecomunicações) devem transportar potência? Como se pode quantificar isso?
Sugestão: analisar o tópico “Vetor de Poynting”.
Segundo Nascimento (2000), o “enfraquecimento” da onda eletromagnética
no vácuo é um fenômeno puramente geométrico. No caso da emissão de uma OEM
por igual em todas as direções, sua intensidade é dada pela expressão
)1(,4 2r
PI t
onde r é a distância entre a fonte e o observador e Pt é a potência emitida pela fonte.
e) Discuta a relação dessa equação com a intensidade do brilho da lâmpada
analisado e com os valores obtidos com o voltímetro.
5.7.3.2 Resultados esperados
54
Espera-se que o aluno consiga fazer uma correlação entre a potência da
lâmpada analisada no item anterior (explique a dependência entre a distância da
lâmpada até a BT com o brilho analisado) com a tensão registrada no voltímetro,
pois os valores registrados irão diminuir com a distância entre o voltímetro e a BT.
Da mesma forma as tensões medidas a uma altura igual ao terminal do indutor
secundário da BT serão maiores que as tensões registradas a uma mesma distância
e a 30 cm do piso.
A OEM possui a capacidade de transmitir energia, o que possibilita a análise
com o voltímetro. Espera-se então que os alunos correlacionem a potência luminosa
emitida pela lâmpada com as tensões registradas, visto que existe uma relação que
é expressa através do Vetor de Poynting. Toda a análise feita, referente ao brilho e
tensão transmitida, será baseada na equação de potência analisada no item Vetor
de Poynting.
5.7.3.3 Identificando as antenas geradoras e receptoras de ondas
eletromagnéticas
Observação: O professor deve enfatizar que toda bobina de Tesla é
composta tanto pelo indutor primário quanto pelo secundário. Assim evita-se uma
confusão entre as partes da BT. Constantemente os alunos se referem à BT
considerando apenas a bobina secundária.
a) Identifique (no experimento realizado para verificação da tensão elétrica e
influência das ondas eletromagnéticas na lâmpada fluorescente) a antena emissora
e receptora. Explique como se deu essa identificação.
b) Comente a relação entre a potência irradiada pela bobina de Tesla e as
tensões encontradas em pontos diferentes.
c) Existe uma relação entre essa potência irradiada com o brilho da lâmpada
analisado? Explique.
d) As ondas eletromagnéticas possibilitaram que a lâmpada acenda? É
possível fazer funcionar um liquidificador com essas ondas? Por quê?
5.7.3.4 Resultados esperados
55
Presume-se que os alunos identificarão facilmente quais elementos (BT ou
lâmpada) constituem a antena emissora e a antena receptora, uma vez que nos
itens anteriores foi possível verificar que a BT emite ondas eletromagnéticas e assim
representa a antena geradora no processo, enquanto a lâmpada, ao receber as
OEM geradas pela BT, emite brilho e representa a antena receptora.
Quanto maior a potência das OEMs mais intenso será o brilho emitido pela
lâmpada. Logo, como a potência convertida em luminosidade da lâmpada possui
uma relação com a distância da BT ou antena emissora, o aluno poderá concluir
corretamente acerca dessa relação. Porém, presume-se que o aluno não possua
conhecimento prévio para responder à indagação sobre a possibilidade de fazer
funcionar um liquidificador com as OEMs. Como a potência da onda eletromagnética
se dissipa no espaço, a energia também se dissipa, enquanto que o liquidificador
necessita de uma grande potência para seu funcionamento e esta potência está
diretamente associada ao valor da corrente de alimentação para criar o campo
magnético no núcleo (induzido) do motor.
5.7.4 Analisando o comprimento de onda
5.7.4.1 Material utilizado:
1. bobina de Tesla;
2. trena;
3. frequencímetro.
Seguindo a execução da sequência didática, passa-se para a análise da
frequência (f) e comprimento de onda (λ) das OEM geradas pela BT. Estando a
bobina ligada, posiciona-se o frequencímetro a uma distância de 2 m da BT e
registram-se seus valores de frequência. É possível calcular o comprimento das
ondas emitidas pela BT através da relação na Equação 2:
(PAUL, 2006)
56
onde c é a velocidade da luz no vácuo (aproximadamente 3,0 x 108 m/s) e f é
a frequência da onda.
a) Com o valor registrado pelo frequencímetro, calcule o comprimento de
onda (λ) expressando sua unidade no SI (Sistema Internacional de medidas).
É a frequência que diferencia uma onda eletromagnética da outra. A
frequência das ondas de rádio vai de 530 kHz a 1.600 kHz (rádio AM).
b) O que se pode concluir ao se comparar o comprimento de onda da bobina
de Tesla ao do rádio?
c) Calcule o período (T) dessas ondas analisado e represente-o em desenho.
5.7.4.2 Resultados esperados
Ao calcular o comprimento de onda através da relação entre o comprimento
de onda, a velocidade da luz e a frequência da onda, o aluno poderá concluir que a
diferença de frequência implica em comprimentos diferentes e, consequentemente,
em períodos diferentes da OEM.
5.7.5 Semelhanças e diferenças entre as ondas eletromagnéticas geradas pela
BT e o sistema de Rádio
a) De acordo com Rios (2002), as ondas de rádio que se propagam entre a
antena transmissora e a antena receptora são chamadas ondas eletromagnéticas. A
antena transmissora transforma variações de tensão e corrente elétrica produzida
pelo equipamento transmissor em ondas eletromagnéticas, sendo a antena
receptora responsável pela captação e conversão das ondas transmitidas em sinais
elétricos.
Diante do analisado nos itens anteriores quanto à geração e a recepção das
ondas eletromagnéticas, quais semelhanças ou diferenças existem entre a BT e o
Rádio?
b) O que possibilita a lâmpada acender é o mesmo que possibilita as
informações chegarem ao rádio receptor? Sim. Não. Explique.
c) As ondas de rádio são semelhantes às ondas geradas na BT (Bobina de
Tesla)? Explique.
57
d) Segundo o documentário Tesla Mestre dos Raios, o primeiro pedido de
patente da invenção do rádio foi negado a Marconi devido às semelhanças as
patentes de Tesla. Que semelhanças são essas?
e) Alguns historiadores atribuem a “Tesla a invenção do Rádio”. Esse feito é
relacionado a Nikola Tesla devido a pesquisas com a bobina de Tesla. Tendo
analisado o funcionamento da bobina de Tesla quanto à geração, à transmissão e à
recepção das ondas eletromagnéticas, construa um texto de dez (10) linhas,
apresentando sua conclusão quanto à contribuição de Tesla para o desenvolvimento
do rádio.
f) Finalizando este trabalho, faça uma pesquisa sobre o Padre Roberto
Landell de Moura.
o Após a pesquisa, você mudaria algo na sua conclusão? Por quê?
5.7.6 Resultados esperados
A semelhança está no funcionamento, uma vez que as pesquisas com a BT
foram pioneiras na transmissão de rádio. Assim, o que possibilita a lâmpada emitir
brilho sem estar ligada à rede elétrica é o mesmo que possibilita a chegada de
informações ao rádio, as ondas eletromagnéticas.
As semelhanças questionadas se referem ao funcionamento físico do
sistema, sendo o princípio de geração e recepção do sistema de Marconi igual ao de
Tesla.
Interessante ressaltar como o patriotismo aflora, pois após fazer a pesquisa
sobre o Padre e pesquisador Landell de Moura, parte do texto redigido será alterado.
Os alunos remetem esse fato ao acontecido com Santos Dumomt.
5.7.7 Explorando um pouco mais o eletromagnetismo da Bobina de Tesla
De acordo com a lei de Ampère, uma corrente elétrica cria um campo
magnético e, quando o último varia, aparece um campo elétrico( explicado pela lei
de Faraday) que, agindo em um meio condutor, resulta em uma corrente elétrica.
Logo, o surgimento de uma corrente variável em um dos circuitos da BT possibilita
uma interação entre os dois circuitos, ou seja, ao energizar o enrolamento da bobina
primária Lp com uma corrente alternada, surge um campo magnético variável. Isso
58
ocasiona o surgimento de uma indutância mútua entre a bobina primária e
secundária Ls.
De acordo com Young e Fredmam (2004), na presença de material
magnético, a indutância mútua M depende das propriedades magnéticas e
geométricas do material.
Essa indutância entre as duas bobinas é calculada através de:
onde é o número de espiras do indutor primário,
é o fluxo magnético em cada uma das espiras do indutor primário,
é a indutância mútua entre a bobina primária e secundária e
é a intensidade de corrente na bobina primária. Logo:
Segundo Halliday (2006), o fluxo magnético é a integral de superfície
)5(, AdBBs
onde B
é o campo magnético e Ad
é um elemento infinitesimal de área, orientado
perpendicularmente ao plano da espira, e o “ponto” indica o produto escalar entre
estes vetores.
Considerando um campo magnético constante orientado perpendicularmente
ao plano das espiras, de área A,
Usando a lei de Ampère, podemos obter o campo magnético no enrolamento
secundário, que fica
onde Ns é o número de espiras no enrolamento, l é o seu comprimento e é a
permeabilidade magnética.
Usando a equação 7 na equação 6, temos:
Nesta equação, Bs é o fluxo magnético através de uma única espira no
indutor , A é a Área do solenóide, é o Campo magnético do indutor secundário
e é o comprimento do indutor secundário.
59
Substituindo 8 em 4, finalmente se têm a equação da indutância mútua,
correlacionando as grandezas físicas dos indutores primário e secundário.
onde é o número de espiras do enrolamento primário e é o número de espiras
do secundário.
Exercício 1
Estimando o comprimento , a área A e os números de espiras dos
indutores, secundário e primário da Bobina de Tesla, calcule a indutância mútua.
Exercício 2
Sabendo que a intensidade da corrente no indutor primário é fornecida pelo
transformador, adote a indutância mútua calculada no item anterior para calcular o
fluxo magnético médio através de cada espira do solenoide secundário.
5.7.8 A criação de um campo elétrico devido ao campo magnético variável
Nesta parte do estudo deve-se distinguir, claramente, um campo elétrico
produzido por cargas, de acordo com a Lei de Coulomb, de um campo elétrico
produzido por um campo magnético variável (Young e Freedman, 2004, p.274). Ou
seja, analisar-se-á, nesta parte do presente estudo, o campo elétrico produzido pelo
campo magnético criado pelo solenóide secundário .
Wentworth (2006) evidencia que, em uma bobina com N espira idêntica,
atravessada por um fluxo magnético que varia com a mesma taxa em todas as
espiras, ocorre o surgimento de uma força eletromotriz induzida , proporcional ao
número de espiras. De acordo Young e Freedman (2004).
Quando uma carga q completa uma volta em torno da espira, o trabalho
realizado pelo campo elétrico é igual ao produto da carga q pela fem
. Logo se conclui que o campo não é conservativo (WENTWORTH, 2006), como
se pode ver em Young e Freedman (2004), que mostram que a integral de linha de
campo elétrico ao longo do percurso fechado não é igual a zero.
Observe que a Equação 10 fornece uma relação entre a variação do campo
magnético com o campo elétrico, ou seja, a geração do campo elétrico ao longo das
60
espiras em decorrência da variação do campo magnético que as atravessa. Todavia,
de acordo com as equações de Maxwell sobre o eletromagnetismo, esta mesma
variação do campo magnético nas espiras faz a BT emitir uma OEM - por exemplo,
Young e Freedman (2004), em que na propagação da OEM a relação entre os
módulos dos campos elétricos e magnéticos fica dada por.
sendo
√
denominado de kapa é uma constante que depende do meio e c é a
velocidade de ondas eletromagnéticas no vácuo, cujo valor aproximado é 3x108 m/s.
5.7.9 Intensidade das ondas eletromagnéticas: uma descrição do vetor de
Poynting.
As ondas eletromagnéticas transportam energia. Isso pode ser verificado ao
colocar a lâmpada fluorescente na presença do campo eletromagnético gerado pela
BT. No item d) da 5.7.3, mostra-se que a energia transmitida por uma onda
eletromagnética pode ser quantificada através do vetor de Poynting (S) definido por:
Em qualquer ponto do espaço, o vetor de Poynting tem a orientação de
propagação da onda eletromagnética (KNIGHT, 2009).
Exercício 4
Utilizando os dados calculados no itens anteriores, calcule com uma
aproximação o vetor de Poynting e o módulo. Esses valores estão de acordo com a
realidade das ondas eletromagnéticas emitidas pela bobina de tesla? Explique.
Exercício 5
Calcule a intensidade da onda eletromagnética emitida pela bobina de Tesla
sobre a lâmpada fluorescente. Esses valores estão de acordo com a realidade?
Explique.
5.8 Entendendo a bobina de Tesla
61
5.8.1 Nikola Tesla
Figura 5: Nikola Tesla.
Fonte: (NETTO, 2012)
Nikola Tesla (Figura 5), nascido na Croácia em 1856, estudou nas
Universidades de Gratz, na Áustria, e de Praga, na República Checa (antiga
Checoslováquia). Radicado nos Estados Unidos da América, trabalhou com Thomas
Edson, pelo qual possuía grande admiração, transformada mais tarde em ódio
(CHIQUITO; LANCIOTTE, 2000). Inventor do sistema de correntes alternadas (AC) e
várias outras invenções para esse sistema, trabalhou posteriormente para a
Westinghouse, onde impulsionou a utilização da corrente alternada na rede elétrica.
Esse feito despertou a ira de Thomas Edson, levando-os a uma batalha na qual
Edson defendia o uso da Corrente Contínua (CC) e Tesla, o uso da Corrente
Alternada (CA), chamada Guerras das Correntes.
Suas pesquisas com a Bobina de Tesla foram pioneiras no sistema de
transmissão de Rádio. Em 1914, processou judicialmente Marconi, o qual afirmou ter
inventado o rádio. Em 1943, ano em que Tesla morreu, a Corte Suprema de Justiça
dos Estados Unidos deu-lhe a patente da invenção do rádio (FERREIRA, 2012).
5.8.2 Bobina de Tesla
5.8.2.1 Campo Eletromagnético
62
Toda carga elétrica gera uma modificação no espaço, capaz de influenciar
outras cargas elétricas, o que se denomina “campo elétrico” (E).
Porém, esta carga, ao se movimentar, cria em torno de si outro campo,
denominado campo magnético (H). Assim, o fluxo ordenado de cargas, ao formar a
corrente (i), influencia diretamente esse campo.
O campo elétrico e o magnético podem existir, independentemente de cargas e de correntes para criá-los, em uma região do espaço livre de fontes... Nossa afirmação é a de que os campos podem existir de um modo autossustentado, em que uma variação do campo magnético cria um campo elétrico (lei de Faraday), o qual, por sua vez, varia exatamente da maneira correta para recriar o campo magnético original (lei de Ampére-Maxwell) (KNIGHT, 2009,p 53).
A propagação desses campos no vácuo se dá formando a onda
eletromagnética (OEM), que se desloca à velocidade da luz (c = 3,0 x 108 m/s).
Segundo Young e Freedman (2004), por exemplo, as ondas eletromagnéticas
senoidais são diretamente análogas às ondas mecânicas transversais em uma corda
esticada. Nessa onda eletromagnética senoidal, E e B, em qualquer ponto do
espaço, são funções senoidais, e o conjunto todo se desloca na direção e sentido de
propagação, sendo o campo magnético perpendicular ao campo elétrico (Figura 6 ).
Figura 6: Representação de uma onda eletromagnética.
Fonte: (PRAS, 2012)
As ondas eletromagnéticas são ondas progressivas que transportam energia
de uma região para outra (por exemplo, YOUNG, FREEDMAN, 2004). Ao se
propagar, a energia das ondas eletromagnéticas se distribui entre o campo elétrico e
o campo magnético, que estão em fase. Tanto o campo elétrico quanto o campo
magnético são capazes de induzir uma corrente elétrica em um aparelho de
63
medição. Logo, ao se posicionar um equipamento de medição espera-se obter
alguma influência das ondas eletromagnéticas.
Essa onda transporta energia, que pode ser descrita em termos quantitativos
através do produto vetorial denominado “densidade de potência”:
)14(HES
(aqui apresentado em unidades SI). Como foi o físico inglês John Henry
Poynting (1852-1914) quem mostrou que este vetor corresponde à potência por área
transversal transmitida pela onda eletromagnética, ele passou a ser conhecido como
“vetor de Poynting”.
As ondas eletromagnéticas, similares em algumas grandezas às ondas
criadas ao atirar uma pedra em um lago, possuem a sua frequência dependente da
sua fonte de emissão. Ao jogar uma sequência de pedras em um lago, pode-se
perceber que as ondas criadas possuem a sua frequência de acordo com o intervalo
em que as pedras são atiradas.
A relação entre o período do campo (T), a frequência cíclica (f) e o
comprimento de onda (λ) podem facilmente ser visualizadas na Figura 7.
Figura 7: Definição de comprimento de onda.
Fonte: (PORTINOI, 2012)
Observe que quanto menor o comprimento de onda, maior a sua frequência,
em acordo com a equação 2.
64
Os fatores de fase e atenuação das ondas eletromagnéticas dependem de
outros fatores, como o meio em que se propagam. Se a mesma OEM deslocar-se no
ar ou no vácuo, ela apresentará comprimentos de onda diferentes. O comprimento
de onda depende do meio em que a OEM se propaga, que pode ser um dielétrico no
solo, a água doce ou do mar, etc. (por exemplo, RIBEIRO, 2008). Porém, aqui nessa
seção preocupar-se-à em analisar os parâmetros físicos dessas ondas como
comprimento e período das ondas, sem se ater a seus detalhes, como o tipo de meio
de propagação, os quais serão analisados no decorrer desse estudo.
5.8.2.2 Funcionamento da Bobina deTesla
A bobina de Tesla é um circuito ressonante que possibilita a transferência de
energia entre dois circuitos, o primário e o secundário. O circuito primário é formado
por quatro componentes listados a seguir e apresentados esquematicamente na
Figura 8:
Transformador primário (T), que possui voltagem de saída de 12kV,
com uma corrente nominal de 30mA;
Capacitor (C);
Indutor (L1);
Centelhador;
O circuito secundário é formado apenas pelo indutor secundário L2.
Figura 8: Esquema elétrico da BT.
Fonte: (LABURU, 1991)
Na Figura 9 podemos visualizar o aparato BT representado pelo esquema
elétrico da Figura 8.
65
Figura 9: Foto da BT usada para essa dissertação
Fonte: foto de Reginaldo Eustáquio
Na Figura 8, observa-se que o transformador (T) tem a função de elevar a
tensão elétrica de 127 VCA (volts corrente alternada) para 12kV. Essa tensão, sendo
suficiente para vencer a rigidez dielétrica do ar (campo elétrico máximo, suportado
pelo ar), entre as extremidades do centelhador, produz uma centelha entre elas,
fechando o circuito. A carga armazenada no capacitor é disparada ao indutor
primário (LP ou L1), criando um intenso campo eletromagnético no indutor
secundário (LS ou L2). A relação de espiras entre o indutor primário e secundário
possibilita um aumento da tensão. Outros fatores discutidos no Apêndice C
(construção da bobina de Tesla) influem nesse aumento da tensão.
Ao ocorrer a descarga no centelhador, o capacitor (C) é descarregado,
liberando toda a energia para a bobina primária (LP) do transformador da BT. Esse
processo se repete a cada descarga do capacitor C, formando um circuito oscilador.
Com essa oscilação, toda a energia acumulada no circuito primário é passada ao
secundário (L2) de forma pulsada.
Nos terminais do indutor secundário (L2), verifica-se uma coroa de descarga
formando pequenos relâmpagos (efeito corona). No protótipo usado nesta
dissertação, o aumento foi para 500kV. Esse valor pode ser verificado nos cálculos
citados no apêndice (A construção da BT), a Figura 10 possibilita a visualização da
descarga no terminal superior do indutor secundário (L2).
66
Figura 10: Descarga no terminal do indutor secundário LS
Fonte: foto de Reginaldo Eustáquio
5.8.3 História e aplicação da Bobina de Tesla
Construída para realizar pesquisas com correntes alternadas em altas
frequências, acima de 100kHz, a bobina de Tesla (Figura 11) é um transformador
elevador de tensão (CHIQUITO; LANCIOTTI,2000). Os efeitos produzidos pelas
altas tensões possibilitam as mais espetaculares demonstrações que se podem
realizar em Física.
Figura 11: Bobina construída por Tesla. Ao fundo Tesla lendo um livro.
Fonte: (SILVEIRA, 2012)
67
As aplicações da Bobina de Tesla destacam-se na indústria e na medicina.
Na indústria são usadas em alguns tipos de fornos; em medicina, as correntes de
altas frequências produzidas por uma BT foram usadas em uma técnica chamada
diatermia, na qual se submete o paciente a correntes de altas frequências e, em
virtude do efeito joule, os órgãos internos são aquecidos (CHIQUITO; LANCIOTTI,
2000).
A maior aplicação da BT foi nas pesquisas de transmissão de sinais
eletromagnéticos. Previstas teoricamente por Maxwell, em 1865, e verificadas
experimentalmente por Hertz, em 1886 (WENTERSON, 2006), as ondas
eletromagnéticas foram o foco da pesquisa com a Bobina de Tesla. Com as
pesquisas desenvolvidas, Tesla marcou os primórdios da radiodifusão.
5.8.4 Grandezas típicas da radiação
Antes de iniciar a próxima análise, é interessante salientar ao leitor as
grandezas eletromagnéticas observadas no brilho da lâmpada. Em uma lâmpada
elétrica acesa, é possível verificar uma série de radiações: infravermelha, ultravioleta
e luz visível.
O espectro eletromagnético é o “DNA” dessas radiações, cuja classificação se
dá pela frequência (f) e comprimento de onda (λ) (Figura 12)
Figura 12: Gráfico espectro eletromagnético.
Fonte: (PRAS, 2012)
68
Observa-se que, ao aumentar a frequência do espectro, diminui o
comprimento de onda devido à relação
onde c é a velocidade da luz.
O grupo de radiações compreendidas entre 380 nm e 760nm tem a
capacidade de estimular a retina do olho humano, produzindo a sensação luminosa.
Esta faixa do espectro luminoso, denominada luz visível, está indicada na Figura 13.
A lâmpada utilizada no experimento para analisar a área de influência do
campo eletromagnético produzido pela BT emite luz com comprimento de onda
dentro desta faixa, o que possibilita analisar o brilho desta lâmpada pela sensação
que produz.
Através da relação dada pela equação (15), infere-se que o olho humano
percebe apenas frequências que vão de 4,3x1014 Hz a 7x1014 Hz.
Figura 13: Espectro visíveis ao olho humano.
Fonte: (FIGUEIREDO, 2005)
5.8.5 Perigos da Bobina de Tesla
Bobinas de Tesla são potencialmente fatais. A construção de um dispositivo
como uma BT necessita de monitoramento rigoroso de pessoal qualificado em
operações de circuitos de altas voltagens. Cabe ao professor procurar informações
acerca dos perigos potenciais do aparato. Silva (2012) recomenda o estudo dos
69
documentos Electrical Safety (Segurança Elétrica) e Tesla Coils Safety Information
(Bobinas de Tesla – Informações de Segurança).
Ao se trabalhar com Bobinas de Tesla, é provável que se esteja exposto a
tensões e correntes muito altas, capacitores carregados, fiação exposta, fortes
campos elétricos e magnéticos, correntes induzidas, perigo de incêndio, perigo
químico e explosão, ozônio, luz ultravioleta e ruído alto (SILVA, 2012).
Na construção do protótipo simples, obtem-se valores de tensão
extremamente elevados. Tornam-se necessários, portanto, alguns cuidados, que
ficarão evidentes nos itens seguintes.
5.8.5.1 Alta tensão e altas frequências
Tensões com valores acima de 72,5 kV são caracterizadas como “alta tensão”
(ver a tabela-1). Porém o perigo da eletricidade não está necessariamente nas altas
tensões, mas na intensidade da corrente que pode surgir no organismo quando
submetido a estas tensões. Define-se corrente (i) como a quantidade de carga
elétrica que atravessa um condutor por unidade de tempo, estando relacionada à
tensão elétrica (V) através de:
onde R é a resistência elétrica
Até o limiar de sensação, que é de aproximadamente 3 mA, a corrente que
atravessa o corpo humano é praticamente inócua, qualquer que seja sua duração. A
partir desse valor, à medida que a corrente cresce, a contração muscular torna-se
mais desagradável (ALCANTARA, 2012), podendo causar a fibrilação ventricular aos
15mA.
Alcantara (2012) afirma que, para as frequências industriais (50 - 60 Hz ),
desde que a intensidade não exceda o valor de 9mA, o choque não produz
alterações de consequências graves. Quando a corrente ultrapassa 9mA, as
contrações musculares tornam-se mais violentas e podem chegar ao ponto de
impedir que a vítima se liberte do contato com o circuito. Se a zona toráxica for
atingida, poderão ocorrer asfixia e morte aparente2, caso em que a vítima morre se
não for socorrida a tempo.
2 Estado de imobilidade absoluta confundível com a morte verdadeira.
70
O circuito primário do protótipo que será descrito possui uma corrente de
30mA e tensão de 12kV, caracterizando um perigo potencial ao operador.
Tabela 1: Classificação das tensões
Baixa Tensão 0 V <1000 V
Média Tensão >1000 V < 72500 V
Alta Tensão > 72500 V < 242000 V
Extra- alta Tensão >242000 V < 800000 V
Fonte: (ALCANTARA, 2012)
De acordo com a tabela 1, a descarga da BT classifica-se como de extra-alta
tensão, pois no secundário da BT temos uma descarga de aproximadamente 500kV,
acima do limite de 72kV para o que se considera como alta tensão.
Deve-se tomar cuidado com o circuito primário da BT, que apresenta baixa
frequência e tensão de 12 kV. A BT possibilita a transformação de 12kV do
transformador primário (TP) para mais de 100 kV, caracterizando alta tensão (tabela-
1), na saída do indutor secundário (LS) da BT (Figura 14). O valor dependerá do
protótipo construído. Mesmo apresentando uma baixa corrente e alta frequência, a
bobina proporciona perigo em suas descargas.
Figura 14: Esquema elétrico da bobina de tesla.
Fonte: (LABURU, 1991)
Existe um mito de que os perigos de corrente elétrica de alta frequência são
menores que os de frequências mais baixas: isso é um erro ( ALCANTARA, 2012).
As bobinas de Tesla grandes podem apresentar níveis perigosos de corrente de alta
71
frequência, pois possuem tensões significativamente altas. Perigos como
queimaduras, descargas diretas do capacitor e arcos que podem carbonizar a carne
estão presentes na BT. A BT é um perigo potencial aos portadores de marcapasso.
Alvaro et al (2012) corroboram a idéia ao salientar que,
modernamente, todo gerador de marcapasso é protegido contra sinais de
interferência em alta frequência por meio de sua cápsula metálica, geralmente
construída a partir de uma liga de titânio, e possui também capacitores de filtro
localizados estrategicamente em sua estrutura arquitetônica para atenuar as
eventuais perturbações que o alcança. Todavia, orienta aos portadores de
marcapasso a não se exporem a experimentações com campos eletromagnéticos.
Salienta-se a necessidade de um aviso, pois ocasionalmente pode a frequência de
operação da BT ocasionar interferência na frequência do marcapasso.
Devido a tais riscos, o operador deve evitar contato direto com a descarga.
Para fazer uma experimentação com as descargas, deve-se fixar um metal em um
pedaço de aproximadamente 0,5m de madeira ou tubo PVC, devendo-se atentar
para o tamanho do material isolante, pois este quando pequeno, possibilita
descargas entre a extremidade de metal e a mão do operador. Outra forma de
proteção seria usando uma gaiola de Faraday (Figura 15) que, por ser um condutor
oco, não apresenta campo elétrico em seu interior, similarmente à proteção que o
automóvel oferece durante uma descarga atmosférica.
Figura 15: Apresentação da gaiola de Faraday.
Fonte: foto de Reginaldo Eustáquio
72
5.8.5.2 Ozônio
O ozônio é uma forma química ou "alotrópica" de oxigênio, assim como o diamante e o carvão são formas alotrópicas do carbono. O oxigênio molecular consiste de dois átomos de oxigênio (O + O) formando uma molécula di-atômica de oxigênio (O2). O ozônio é composto por três átomos de oxigênio, que formam uma molécula tri-atômica de oxigênio (O3). Embora seja verdade que o ozônio, em doses muito elevadas pode ser tóxico, também é tão verdadeiro que o ozônio é essencial para a vida na Terra (FILHO, et.al 2013, p. 08).
Ao ligar a Bobina de Tesla, percebe-se que o terminal superior da bobina
secundária torna-se luminescente, provocando cheiro forte no ar. Isso se deve à
formação de ozônio (O3): os elétrons liberados e capturados no terminal levam à
ionização do ar e à produção de ozônio (O3). Mais informações técnicas podem ser
encontradas em Filho, et. al (2013). Devido ao ozônio ser tóxico, Laburu (1991)
aconselha fazer a experimentação em locais ventilados e não deixar a bobina ligada
por períodos superiores a alguns minutos. Silva (2002) salienta que, ao operar uma
BT, deve-se ter certeza de ter ventilação adequada, proteção auditiva e deve-se
evitar olhar diretamente para os faiscadores quando estiverem em ignição e, se
possível, dispor de um extintor de incêndio e óculos de segurança.
5.8.5.3 Efeitos da radiação eletromagnética no organismo humano
Ao executar a sequência didática, alunos e professores estarão imersos no
campo eletromagnético criado pela BT, o que leva a alguns questionamentos quanto
à influência do campo eletromagnético no corpo humano.
Algumas das radiações eletromagnéticas, em contato com o corpo humano,
podem produzir efeitos biológicos. Ao afetar átomos e moléculas, poderão afetar
células. As radiações se classificam em ionizantes e não ionizantes, dependendo da
frequência (f) dessas radiações. Segundo a teoria quântica de Einstein a energia do
“quantum” de radiação eletromagnética (fóton) é dada por
onde: h = 6,63x10-34 J.s é a constante de Planck (por exemplo, EISBERG;
RESNICK,1979).
Segundo Mercon (2012), as radiações ionizantes incluem os raios alfa, beta e
gama. Essas radiações eletromagnéticas possuem energia dos fótons superior a 12
73
eV, o que possibilita a produção de íons ejetando os elétrons orbitais dos átomos de
Carbono (C), Hidrogênio (H), Oxigênio (O) e Nitrogênio (N).
Em frequências mais baixas que as das emissões de luz, incluindo as faixas
de microondas, os campos eletromagnéticos não possuem energia suficiente (10 eV)
para provocar a quebra das ligações químicas, como no caso anterior e, portanto,
essa radiação é chamada de não ionizante (MERCON, 2012).
Os efeitos das radiações não ionizantes, como os térmicos, são de relevância,
pois traduzem-se num aumento da temperatura dos tecidos biológicos. Segundo
Nascimento (2012), as frequências da ordem de quilohertz (Kz), que são
classificadas e usadas para transmitir informações, não implicam perigo potencial à
exposição. Como a frequência da Bobina de Tesla está na faixa de quilohertz (ver o
Apêndice construção da BT), as suas ondas eletromagnéticas não apresentam
perigo.
74
6 APLICAÇÃO DO PRODUTO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
6.1 Metodologia da pesquisa
Descreveremos neste tópico como desenvolvemos e aplicamos a sequência
didática e analisamos os seus resultados, avaliando-a. O desenvolvimento dessa
pesquisa divide-se em quatro etapas, sendo a primeira não computada como
aplicação da sequência didática, mas como levantamento dos conhecimentos
prévios dos alunos acerca dos conhecimentos de campo elétrico, campo magnético
e ondas eletromagnéticas. A aplicação apresentou três etapas realizadas em 10
horas/aulas.
1 etapa – levantamento das concepções prévias dos alunos;
2 etapa – exibição do documentário Tesla Mestre dos Raios;
3 etapa – aplicação da sequência didática;
4 etapa – avaliação dos conceitos.
6.1.1 Escolha dos participantes
Essa sequência didática é uma proposta para o ensino de Física II e
Eletromagnetismo I. Foi aplicada para os alunos do quarto período de Engenharia
Civil, na disciplina Física II, e para o quinto período de Engenharia Elétrica, na
disciplina Eletromagnetismo I do INSTITUTO DOCTUM DE ENSINO E PESQUISA -
MG. Vale ressaltar que para os setenta e cinco (75) alunos de Engenharia Civil,
aplicamos a sequência a título de teste, ou seja adaptando o questionário, pois com
os resultados deste teste algumas questões foram retiradas e outras alteradas para
a montagem da sequência didática.
Para os vinte e sete (27) alunos de Engenharia Elétrica aplicamos todas as
etapas a fim de testar a validade da sequência didática.
O INSTITUTO DOCTUM oferece os cursos de Engenharia Elétrica e
Engenharia Civil, os quais possuem em suas grades curriculares as disciplinas
Fundamentos de Física, Física I e Física II. Ressalta-se que na Engenharia Elétrica
a disciplina Física II foi modificada para Eletromagnetismo I.
75
A escolha dessas turmas se deu mediante o fato de o autor ser o professor
das disciplinas Física II e Eletromagnetismo I. Os participantes da pesquisa são
alunos que tiveram a oportunidade de estudar diversos assuntos, como oscilações
em Física I e circuitos elétricos I (Engenharia Elétrica), o que leva a crer que
possuem um nível de desenvolvimento cognitivo necessário para o entendimento
dos conceitos de OEM.
6.2 elaboração do Material e Atividades Experimentais
A elaboração do material deu-se ao longo de várias aulas e principalmente
nas realizações de palestras, usando uma pequena Bobina de Tesla. Porém,
precisávamos de uma BT que tivesse uma potência maior na criação de um campo
eletromagnético. Na aplicação da sequência didática, optamos por construir a BT
juntamente com os alunos do curso de Engenharia Elétrica, o que possibilitou aos
alunos desenvolverem pesquisa e executar experimentações na disciplina de
circuitos elétricos.
Para analisarmos a existência de OEM, precisávamos de um equipamento de
baixo custo. Surgiu a idéia de usarmos uma lâmpada fluorescente compacta. Ao
fazermos uma experimentação para alunos do terceiro período de Engenharia Civil,
surgiu também a idéia de abordarmos a função do aterramento. E assim passamos a
usar uma lâmpada tubular de 40 W, pois esta possibilitava variarmos os pontos para
segurá-la, possibilitando que a lâmpada acenda até onde a mão esteja segurando.
Sabendo que a luminosidade emitida pela lâmpada varia de acordo com a distância
da lâmpada em relação à BT, optamos por utilizar um voltímetro para verificarmos o
valor aproximado da tensão elétrica presente na OEM.
Assim, fizemos um primeiro roteiro com apenas quatro questões:
1- Ligue a BT segure a lâmpada a uma distância de um metro, variando esta
distância. Descreva o que acontece com a luminosidade emitida pela
lâmpada.
2- Explique o fenômeno observado, utilizando os conceitos estudados sobre
campo elétrico, magnético e eletromagnético.
3- Ligue o voltímetro, variando sua posição a partir de um metro de distância.
Verifique a existência de tensão no ar.
4- Faça uma contextualização entre o observado no item 1 e 3.
76
Ao executar o procedimento descrito, foram surgindo indagações sobre o tipo
de onda, frequência dessas ondas eletromagnéticas, objetivo para o qual a BT foi
inventada e outras indagações. Percebemos a necessidade de uma quantidade
maior de questões. Estas foram formuladas à medida que as curiosidades fossem
surgindo. Nesta etapa, os alunos, ao executarem a experimentação, sugeriram
segurar a lâmpada no alto, próximo à extremidade superior e inferior da BT. Esta
sugestão foi excelente, possibilitando o surgimento de várias perguntas como, por
exemplo, o local escolhido para instalar torres de transmissão.
Ao final desta etapa, tínhamos conseguido detectar a presença da OEM, mas
não poderíamos quantificar usando a lâmpada fluorescente. Para isto seria
necessário o uso de um frequencímetro, pois assim conseguiríamos um valor
aproximado dos valores da frequência e, através de cálculos, encontraríamos o
comprimento de onda da OEM. Vale ressaltar que não abordamos o comportamento
da OEM na matéria, pois o objetivo é apenas identificar as antenas emissoras e
receptoras, como a OEM foi gerada e captada por elas. No que tange à transmissão
abordamos apenas os conceitos de frequência e potência de forma superficial.
A curiosidade é agente transformador no ato de fazer ciência. Assim,
pensamos em apresentar a história de Nikola Tesla. Inicialmente pensamos em fazer
esta abordagem usando um artigo, documentário ou site. Optamos por usar um
documentário devido à possibilidade de ilustração do mesmo e à possibilidade da
realização de debate mediado pelo professor, pausando o documentário.
Tendo o material em mãos, além de uma sequência inicial, procuramos
sequenciar o produto da seguinte forma:
Documentário, apresentação das partes constituintes da BT, análise do
campo eletromagnético e exploração dos conceitos histórico-tecnológicos referentes
à criação da BT e pesquisas realizadas com a mesma.
6.3 Aplicação do material
Esta sequência experimental foi aplicada para 27 alunos do quinto período de
Engenharia Elétrica na disciplina Eletromagnetismo I, nos dias 05, 06, 12, 13, 19 e
26 de Novembro de 2012, computando 6 horas/aula de análise experimental, 4
horas/aula de Análise dos conceitos e 2 horas/aula referentes a uma avaliação.
77
A turma foi dividida em 5 grupos e cada grupo recebeu o roteiro contendo as
questões e procedimentos experimentais que deveriam ser seguidos.
Atividades do dia 05 de Novembro (2 horas/aula): os alunos assistiram ao
documentário Tesla Mestre dos Raios. Após a exibição, aplicou-se um questionário
contendo as seguintes perguntas:
1. Quem foi Tesla?
2. Quais inventos de Tesla têm uma influência direta em sua vida?
3. Qual foi o objetivo da construção da bobina de Tesla? Ele foi
alcançado? Explique.
4. Quem inventou o rádio? Como essa questão é abordada no
documentário?
Em seguida, cada equipe apresentou as respostas, seguindo-se de um debate
mediado pelo professor.
Atividades realizadas no dia 06 de Novembro (2 horas/aula): o professor fez
uma exibição experimental (Figura 16) do aparato Bobina de Tesla, apresentou uma
abordagem dos conceitos de campo eletromagnético e suas propriedades, da
constituição da bobina e em seguida aplicou o questionário referente aos itens 1
(Identificação dos componentes e finalidade de cada item) e item 2 (Detectando a
presença de campo eletromagnético).
Figura 16: Explicação das partes constituintes do aparato experimental.
Fonte: foto de Reginaldo Eustáquio
Atividades desenvolvidas em 12 de Novembro de 2012 (2 horas/aula): os
alunos receberam os equipamentos e fizeram a experimentação referente ao item 3
78
(verificando a presença de tensão elétrica transportada pelas OEM). Logo após, os
alunos passaram para o item (identificando as antenas geradoras e receptoras de
ondas eletromagnéticas).
Atividades desenvolvidas no dia 13 de Novembro de 2012 (2 horas/aula): o
professor fez uma abordagem dos conceitos presentes em uma onda. Em seguida
os alunos responderam ao iten 5 (analisando as grandezas de uma onda
eletromagnética) e 5.7.5 (semelhanças e diferenças entre as OEM da BT e do
Rádio). Porém, o item 6 não pôde ser terminado nesta data, pois foi solicitada uma
pesquisa referente ao padre e pesquisador Robert Landell de Moura.
Atividade desenvolvida em 19 de Novembro de 2012 (2 horas/aula): com a
intervenção do professor os alunos resolveram os exercícios referentes ao tópico
“explorando um pouco mais o eletromagnetismo da BT”. Nesse momento, o
professor apresentou as equações de Maxwell, identificando onde se aplicavam.
Atividade desenvolvida no dia 26 de Novembro ( 2 horas/aula): nesta data os
alunos foram avaliados por meio da redação de um texto contendo os conceitos
analisados.
6.2 Dificuldades e soluções encontradas na aplicação do material
Ao aplicarmos a sequência didática, surgiram alguns problemas, dos quais
pontuaremos os mais importantes:
1 - Espaço do laboratório: sendo a BT utilizada de grandes dimensões, não
houve possibilidade de transportá-la para uma sala maior. A análise experimental
necessita de espaço. Por exemplo, para analisarmos a luminosidade da lâmpada em
função da distância à BT. Sendo o laboratório de pequena dimensão, decidimos
dividir a turma em dois grupos. Assim as equipes A e B fizeram a observação inicial,
enquanto as equipes C, D e E aguardavam numa sala ao lado e, nesse ínterim,
tiveram a possibilidade de analisar o roteiro recebido.
Essa dificuldade é apontada nos estudos de Resende e Ostermann (2005).
Os autores evidenciam que os professores que contam com um espaço físico
próprio para o laboratório didático de Física queixam-se da falta de condições
técnicas para o uso, devido ao grande número de alunos por turma.
2 – Disponibilidade de equipamento: sendo apenas uma bobina de tesla
disponível para a experimentação, houve atrasos no desenvolvimento das
79
atividades, pois uma equipe deveria aguardar o desenvolvimento da outra, antes de
religar a BT, pois o seu barulho atrapalhava a concentração dos demais.
3 - Números de questões a serem respondidas: inicialmente o número de
questões era maior. Porém, na aplicação junto ao quarto período de Engenharia
Civil, verificou-se a necessidade de compactarmos a sequência didática.
Interessante ressaltar que a decisão de aplicar a sequência didática para
efeito de teste para a turma de Engenharia Civil nos forneceu uma visão do produto
que até então não tinha sido possível. Por exemplo, na aplicação do item 1 do
questionário, observou-se o seguinte: não fluiu como o esperado, pois observamos
que os alunos não estavam preparados, mesmo tendo feito uma experimentação,
abordando de forma rápida a função e funcionamento da BT. Para a turma seguinte,
o professor, quando revisou os conceitos de campo, fez uma leitura comentada do
artigo de Chiquito e Lacelloti (2000), abordando de forma mais eficiente os
conceitos. Todavia, ao analisar as respostas e debater com os alunos, percebeu
dificuldades na compreensão dos conceitos referentes ao funcionamento das partes
constituintes.
Mesmo tendo adotado o laboratório estruturado, o qual possibilita a
determinação de um tempo prévio para execução dos procedimentos, houve
necessidade de parte do trabalho ser feito em forma de pesquisa. Outro fator que
influenciou nessa decisão foi a necessidade de dividirmos a turma.
6.3 Indagações e sugestões feitas pelos alunos
O laboratório propicia aos alunos visualizar e manusear instrumentos. Permite
também, conhecer diversos tipos de atividades, podendo estimular-lhes a
curiosidade e a vontade de aprender a vivenciar ciência (GRANDINI; GRANDINI,
2004). Isto pode ser verificado na aplicação da sequência didática. O interesse dos
alunos é evidente, e isto verificamos pelo número de indagações e sugestões ao
longo da resolução do produto. Algumas delas serão analisadas nesse trabalho.
Ao fazermos uma abordagem experimental com a BT, foram feitas variações
entre as extremidades do faiscador da BT, para que os alunos pudessem observar
que o tamanho da descarga no terminal superior da bobina secundário depende da
distância entre as extremidades do faiscador. Nesse momento o aluno A4G1( aluno
quatro do grupo um), fez a pergunta: “O que acontece se encostarmos os dois
80
extremos do faiscador?” O professor fez o sugerido pelo aluno, e seguiu-se a
discussão. Então, outro aluno A2G5, perguntou: “O que acontece se distanciarmos
ao máximo?” Ao distanciarmos ao máximo, observou-se uma fuga por efeito de
borda, pois não conseguindo descarregar, o capacitor armazenava muita carga.
Ao responder esses questionamentos os alunos puderam fazer uma
correlação entre a função do capacitor e do faiscador ao observar que ao distanciar
as pontas do faiscador aumenta-se a descarga. Em seguida, o professor propôs aos
interessados uma pesquisa sobre capacitância e rigidez dielétrica do ar.
Ao analisarmos a tensão elétrica das OEMs criada pela BT, houve um
questionamento interessante: “A tensão medida a um metro da BT e a 50 cm do
chão, é diferente da tensão elétrica medida a um metro da bobina e a 1,80m do
chão?” O aluno relatou: ao verificar que, ao variarmos involuntariamente a posição
da lâmpada em relação à BT e ao solo, a lâmpada emitia potências diferentes. Após
esses questionamentos, inserimos essas questões no produto.
Observamos ao longo da análise que frequentemente os alunos confundiam a
bobina secundária com a Bobina de Tesla. Foi necessário um tempo maior para
compreenderem que a BT relacionava-se a todo o sistema. Então, para não
confundir, chamamos o aparato de “transformador Tesla”.
6.4 Análise dos resultados
Adotou-se, para analisar as respostas e dados referentes à aplicação da
sequência didática a análise de conteúdo de Bardin (2009), a qual evidencia que a
análise do mesmo se faz com a prática. Nesse sentido, Farago e Fonfoca (2013)
corroboram as idéias de Bardin ao afimar que a análise de conteúdo deve ter como
ponto de partida uma organização, ou seja, uma sequência para a execução da
análise. Os autores evidenciam que a fase da análise divide-se em três polos:
1- A pré-análise;
2- A exploração do material;
3- O tratamento dos resultados, o qual se constitui pela inferência e pela
interpretação.
81
6.4.1 Análise das respostas individuais dos alunos
A análise das respostas aos questionários teve como objetivo verificar se
houve a formação de conceitos em decorrência da experimentação, discussão e
aplicação do produto.
Salienta-se que não classificamos aqui no estudo todas as respostas às
questões, pois as que serviram como base para conduzir ao desenvolvimento de
outras não foram registradas nesse trabalho. Ao analisarmos as respostas,
percebemos similaridades de um item para o outro. Logo, optamos por registrar as
que avaliamos como tendo maior importância.
Para uma melhor análise, classificamos as respostas em ótima, boa, regular e
ruim. Considera-se ótima a resposta que contenha todos os requisitos necessários
para explicar o fenômeno analisado.
Nota explicativa: optamos por prescrever a originalidade das respostas.
Análise das respostas ao item a da 5.7.2:
Explique a dependência entre a potência emitida pela lâmpada e as distâncias
analisadas.
Tabela 2: Resultados da questão a da 5.7.2
Classificação Número de alunos
Ótima 1
Boa 14
Regular 11
Ruim 1
Descrição da classificação da resposta:
Resposta ótima: Deve conter a dependência da potência em função da
distância da fonte criadora do campo eletromagnético, evidenciando que o agente
causador da luminosidade da lâmpada é o campo elétrico, e explicitar que a
intensidade desse campo é inversamente proporcional à distância.
82
Resposta boa: Deve evidenciar a dependência da potência emitida pela
lâmpada, em função da distância da fonte e deve conter algumas características do
agente causador.
Resposta regular: Deve contemplar algumas características do agente
causador da dependência da luminosidade da lâmpada com a distância.
Resposta ruim: A que não contemplar nenhuma das características citadas
anteriormente.
Exemplos de respostas classificadas como ótimas.
A3G1 – A bobina de Tesla cria a onda eletromagnética, quanto mais se aproxima da
bobina mais a lâmpada aumenta sua luminosidade pelo fato do campo elétrico ser
maior e o fluxo também aumentar. Sendo assim, com as menores distâncias, a
luminosidade será maior e com as maiores distâncias a luminosidade
consequentemente será menor.
Apenas um aluno caracterizou os detalhes da observação descritos na
classificação das respostas.
Exemplos de respostas classificadas como boas.
A4G2 – A intensidade do brilho depende diretamente da quantidade de campo
elétrico envolvido na lâmpada. Ao afastar a lâmpada da bobina o campo elétrico
diminui.
A2G3 - Para apresentar mais brilho, a lâmpada deve estar mais próxima da BT, pois
lá é o ponto de maior tensão. Pode-se perceber que quanto mais se afasta a
lâmpada desse ponto, seja distanciando em direção ao solo ou distanciando da
própria bobina, o brilho da lâmpada vai ficando mais fraco.
Das respostas analisadas, doze evidenciaram a fonte criadora e a influência do
campo elétrico no brilho da lâmpada, correlacionando a redução da intensidade do
campo elétrico com a queda da luminosidade da lâmpada.
Exemplos de respostas classificadas como regulares.
A3G2 – A intensidade do brilho depende diretamente da quantidade de campo na
lâmpada. Ao afastar a lâmpada da bobina, diminui.
83
A1G5 - Quanto mais se afasta a lâmpada do campo magnético, menor fica seu
brilho, pois o campo vai perdendo sua área de alcance.
Um número considerável de respostas foi classificado como regular. Nessas,
foi possível observar uma certa confusão quanto aos conceitos de campo elétrico e
campo magnético, o que nos leva a concluir que uma revisão mais detalhada desses
conceitos deve ser feita antes da análise experimental. Todavia, surge a pergunta:
os alunos sabiam a diferença entre os campos elétricos e magnéticos criados,
respectivamente, por uma carga e por uma corrente elétrica, e os campos criados
de forma mútua nas ondas eletromagnéticas?
Exemplos de resposta classificadas como ruins.
A4G1 – A intensidade do brilho vai depender de onde colocamos a mão na lâmpada,
pois o corpo é um isolante para que a energia não ultrapasse. Quanto maior a
distância maior a força que aproximamos da energia e maior criando um campo
magnético.
Observação importante. O grupo 1, composto por cinco alunos, foi o grupo
mais aplicado no debate e a constatação de um dos seus alunos com resposta ruim
foi intrigante, demonstrando a possível falta de entrosamento entre os participantes
do grupo.
Observações:
O objetivo foi verificar a capacidade do aluno de analisar a relação entre o
brilho da lâmpada e a posição desta. Nesse tópico, esperava-se que os alunos
tivessem a capacidade para executar o procedimento, o que foi comprovado.
Neste item, a relação da lei de Coulomb para cargas puntiformes prevaleceu.
Esperava-se também respostas diretas como “está com luminosidade, pois está
dentro do campo e apaga quando está fora”. Nesse item, começou a surgir uma
confusão na compreensão e na expressão para os campos elétricos, magnéticos e
eletromagnéticos.
Análise das respostas referentes ao item b da 5.7.3:
Como é possível existir tensão no ar?
Tabela 3: Resultados do item b da 5.7.3
Classificação Número de alunos
84
Ótima 1
Boa 10
Regular 3
Ruim 13
Descrição da classificação das respostas:
Ótima: Explica, em termos científicos, a razão da existência de tensão elétrica
ao redor da BT. Deve explicitar uma contextualização para o agente responsável
pela existência de tensão perante outros fatores presentes no processo analisado
ou em uma tecnologia;
Boa: Explica, em termos científicos, o agente responsável pela existência de
tensão elétrica em torno da BT;
Regular: Explica, com conhecimentos prévios ou científicos, a razão da
existência de tensão elétrica em pontos próximos à BT. Contém alguns erros
conceituais;
Ruim: Não possui lógica na resposta, ou não conseguiu responder.
Exemplos de respostas classificadas como ótimas.
A4G5 – A tensão elétrica existente no ar se dá devido a propagação das ondas
eletromagnéticas, pois se formam produzidas pela bobina de Tesla com uma
potência considerável. O fenômeno é o mesmo da transmissão de rádio frequência.
Observa-se na resposta, a capacidade de correlacionar a presença das OEM
com a tensão elétrica, ou seja, o aluno consegue entender que na ausência dessas
ondas não haveria tensão elétrica e que o fenômeno observado é semelhante ao
processo de transmissão de rádio.
Exemplos de respostas classificadas como boas.
A4G3 - A emissão de uma onda eletromagnético, gera dois tipos de corrente a
elétrica e magnética, e a cada momento que são emitidas no ar uma gera outra,
devido a seu movimento e direção do seu campo. O campo magnético induz uma
tensão no voltímetro.
A4G1 – Essa tensão é criada devido a existência do campo eletromagnético, que
devido a sua potência, passa a transmitir valores de tensão medidos pelo voltímetro,
esse valor é maior quanto mais perto da bobina.
85
O aluno A4G3 faz confusões entre os conceitos de campo magnético e
corrente elétrica; porém, entende-se que o aluno compreendeu o fenômeno, pois ele
afirma que o campo magnético induz uma tensão elétrica no voltímetro.
O aluno A4G1 consegue contextualizar a relação entre a tensão elétrica no ar
e a abordagem experimental da distância entre a BT e a lâmpada e essa relação
com a potência emitida pela lâmpada.
Exemplos de respostas classificadas como regulares.
A1G2 – A tensão existente no ar esta situada entre o líquido e seu vapor saturado no
ar, normalmente a pressão atmosférica. A emissão de uma onda eletromagnética
gera dois tipos de corrente a elétrica e magnética, e a cada momento que são
transmitidas uma gera a outra esses campos gerados pela bobina gera uma corrente
que tem uma tensão elétrica.
A1G5 - A tensão esta no ar devido ao campo elétrico que existe no ar e no vapor.
Em uma onda eletromagnética há dois tipos de corrente, a elétrica e magnética, uma
gerando a outra.
O aluno A1G2 confunde o termo corrente elétrica e campo; porém, consegue
expressar que a tensão existe em função do campo magnético variável da OEM
gerada pela BT.
A outra resposta analisada é similar, o que nos leva a concluir a existência de
dificuldades na compreensão de corrente elétrica e os conceitos de campo
magnético e elétrico em separado.
Exemplos de respostas classificadas como ruins.
A4G1 – Quando a tensão é muito grande ela pode vencer a resistência do ar, que
possui várias partículas e dentre elas os sais que são capazes de conduzir a
eletricidade.
A3G3 - Devido ao campo magnético, faz com que haja a tensão no ar, através de
onde ou longo tensão.
Em algumas respostas, a princípio pensou-se que a explicação sobre o
funcionamento do faiscador (centelhador), na qual abordaram-se conceitos sobre
rigidez dielétrica do ar, pudesse ter influenciado nesse tipo de resposta.
Observam-se também respostas sem coerência. Porém o número de respostas
classificadas como ruins levou-nos a indagar se o problema estava na abordagem
86
experimental, na abstração dos conceitos ou na dificuldade de expressar o
observado.
Observação:
Ao executar o procedimento experimental, surgiram dúvidas quanto ao
posicionamento do voltímetro. Esperava-se a influência do documentário nas
respostas, uma vez que o mesmo aborda transmissão de energia sem fio e isso
pode ser observado em algumas explicações, como na explicação do aluno A4G1.
Respostas do tipo “a energia é transportada pelas ondas eletromagnéticas” levam-
nos a crer que houve aprendizagem dos conceitos explicados e analisados.
Esta atividade possibilitou ao aluno observar uma conexão entre o observado
na lâmpada e no voltímetro, como se verifica em algumas respostas.
Análise das respostas à questão a da 5.7.3.3
Identifique, no experimento realizado para verificação da tensão elétrica e da
influência das ondas eletromagnéticas na lâmpada fluorescente, as antenas
emissora e receptora. Explique como se deu essa identificação.
Tabela 4: Resultados da questão a da 5.7.3.3
Classificação Número de alunos
Ótima 0
Boa 27
Regular 0
Ruim 0
Descrição da classificação da resposta:
Ótima: Consegue identificar as antenas emissora e receptora, cita à lâmpada
e o multímetro como antenas receptoras. Contextualiza, na prática, com citações de
exemplos, descreve uma abordagem conceitual das antenas emissora e receptora;
Boa: Consegue identificar a antena emissora e a receptora, cita a lâmpada ou
multímetro como antena receptora;
Regular: Consegue identificar uma das antenas, receptora ou emissora;
87
Ruim: Não consegue identificar as antenas emissora e receptora no processo
experimental.
Exemplos de respostas classificadas como boas.
A5G2 - Na lâmpada, a onda eletromagnética influencia agitando os átomos que
liberam os fótons de luz quando seus elétrons são excitados, quando a lâmpada é a
receptora.
A antena emissora é a bobina secundária que emite a onda eletromagnética, a
receptora é a ponta de teste do voltímetro que recebe as informações para o
aparelho.
A3G1- As pontas do multímetro funcionam como antenas receptoras que recebem
as ondas eletromagnéticas, emitidas pelo condutor no final da bobina, que serviu de
antena monopólio (entendemos querer dizer monopolo), onde irradiou onda de
potencial que foi capitada pela antena multímetro
Destaca-se, nessa abordagem, que parte dos objetivos em demonstrar a
captação das ondas eletromagnéticas foi alcançada, haja vista o número de
respostas boas em relação ao número de regulares e ruins. Porém, leva-se a
questionar se a formulação da questão é compatível com os resultados.
Observação:
Interessante destacar que não houve confusão na compreensão das antenas
geradoras e emissoras, uma vez que a lâmpada acendeu ao ligar a bobina e isso
possibilitou estabelecer a relação da BT com a antena geradora dos sinais
eletromagnéticos.
Em debates ao longo da experimentação sempre surgiam as comparações do
sistema constituído pela lâmpada e a BT com o sistema de telecomunicação
constituído pelo telefone celular e a torre de transmissão.
Análise da questão c da 5.7.3.3
Existe uma relação entre a potência irradiada pela BT e o brilho da lâmpada
analisado? Explique.
Tabela 5: Resultados da questão c da 5.7.3.3
Classificação Número de alunos
Ótima 2
88
Boa 17
Regular 2
Ruim 6
Descrição da classificação das respostas:
Ótima: Consegue descrever a relação entre a luminosidade emitida pela
lâmpada e a potência da Bobina de Tesla. Consegue, com a resposta, ultrapassar o
limite do que foi pedido, evidenciando fatores da experimentação correlacionados
com a questão;
Boa: Consegue identificar e expressar corretamente, em termos científicos, a
relação entre a potência da Bobina de Tesla e a luminosidade emitida pela lâmpada;
Regular: Consegue identificar a relação. No entanto erros conceituais
acompanham a explicação;
Ruim: Não consegue identificar ou contém muitos erros conceituais na
explicação.
Exemplo de resposta classificada como ótima.
A2G1 - Sim existe uma relação, a potência irradiada pela bobina de Tesla em
questão, é o suficiente para ordenar os átomos do interior da lâmpada, e fazer
circular uma corrente elétrica, fazendo que haja luminosidade produzida, diferente do
liquidificador que precisa de mais potência, maior a potência maior o brilho.
Interessante destacar a relação feita entre as análises. O aluno consegue
correlacionar a potência emitida pela lâmpada, a potência irradiada pela OEM da BT
e a capacidade de funcionar um motor com essa potência. Ressalta-se também a
conexão da potência irradiada (analisada e resolvida, de forma experimental e
teórica, “matematicamente”, nos itens anteriores) com a luminosidade da lâmpada.
Exemplos de respostas classificadas como boas.
A5G3 - Sim, quanto maior for a potência recebida pela lâmpada, maior será a
intensidade do seu brilho.
A2G5 - Quanto maior for a potência irradiada maior será o brilho da lâmpada, por
isso que mais próximo da bobina mais potência irradiada.
89
Nestas respostas conclui-se pela formação de conceitos devido à objetividade
presente nas mesmas, sendo que vários alunos responderam de forma similar ao
aluno A5G3.
Exemplos de respostas classificadas como regulares.
A1G2- A bobina de Tesla é um monopolo de ¼ de potência, se fosse de 1/5 a
lâmpada brilha mais.
A3G3 – Sim, quando maior a potência maior a intensidade de radiofrequência, e ai
então maior o brilho.
Observa-se nestas respostas que o aluno conseguiu correlacionar a
luminosidade da lâmpada com a potência irradiada pela BT. Porém as concepções
espontâneas estiveram presentes em quase todas.
Exemplos de respostas classificadas como ruins.
A4G4 – Sim, porque a irradiação transmitida pela lâmpada, ela irradia determinado
campo eletromagnético, que é da bobina primária para secundária.
A2G1- Sim, porque a potência da lâmpada sendo maior, maior será o seu brilho por
causa da intensidade.
Vale ressaltar que não houve uma verificação empírica dessa relação, ou
seja, o aluno construiu a relação baseando-se na variação de luminosidade com a
distância da BT. Equipes como A2G1, Concluíram que, se a fonte tiver menor
potência, a luminosidade da lâmpada será menor. Isso é magnífico e evidencia que
o aluno compreendeu os conceitos analisados.
Observação:
Ao responder esta questão e, ao determinar a potência irradiada, o aluno se
deparou com uma correlação entre a situação real e a abstrata, que ocasionou uma
confusão entre a potência elétrica de uma lâmpada, a luminosidade e a potência
irradiada pela BT, e essa confusão foi sanada com uma breve explicação do
professor quanto às diferenças.
Análise das respostas ao item b da 5.7.4
O que se pode concluir ao se comparar o comprimento de onda da bobina de
Tesla ao do rádio.
90
Tabela 6: Resultados da questão b 5..7.4
Classificação Número de alunos
Ótima 0
Boa 10
Regular 6
Ruim 11
Descrição da classificação das respostas:
Ótima: Deve conter uma conclusão evidenciando as diferenças e
semelhanças entre a BT e o rádio e expor alguma consequência dessas
semelhanças e diferenças.
Boa: Resposta que evidencie semelhanças ou diferenças entre os
comprimentos de onda da BT e do rádio.
Regular: A que apresentar uma conclusão lógica, mesmo que baseada em
concepções espontâneas;
Ruim: Resposta com ou sem evidência de diferenças ou semelhanças quanto
ao comprimento de onda.
Exemplos de respostas classificadas como boas.
A1G2- Concluímos que a frequência da bobina de Tesla é aproximadamente dez
vezes menor que a mínima frequência da onda de rádio, assim a bobina não
interfere nas ondas do rádio.
A4G1 – O período da onda é dado por f = 1/ T, logo o período do Rádio é da casa de
87MHz, ou seja a frequência da BT é muito menor comparada com a do Rádio então
se comprimento é maior.
Concluímos que os alunos conseguiram aplicar os conceitos apreendidos,
pois evidenciam que só existe interferência de ondas quando as frequências são
similares. Esses fatores referentes à interferência de onda foram comentados no
momento de revisão dos conceitos de ondas.
Exemplos de respostas classificadas como regulares.
91
A5G5 – Tanto da bobina de Tesla e do Rádio a frequência e comprimento de onda
calcula da mesma forma.
A3G5 – Tanto a bobina de Tesla quanto o rádio tem seu comprimento de onda
definido pela frequência.
Pode-se concluir que as semelhanças ficaram evidentes para os alunos;
porém, não conseguiram evidenciar as diferenças.
Exemplo de respostas classificadas como ruíns.
A2G5 – Rádio tem frequência em kilorertz e Megahertz, o pulso de eletricidade se
espalha como uma onda de Rádio e mantém sua propagação.
A3G3 – A bobina de Tesla tem uma frequência de aproximadamente 8kHz e a do
Rádio aproximadamente 8700MkHz, sendo assim a freqüência do Rádio é muito
maior que a da BT.
O objetivo não foi alcançado, houve confusão quanto às unidades e
conceitos, a maioria das respostas foi confusa. Por isso, a maior parte foi
classificada como ruim.
Observação:
Sendo esta a maior parte teórica e os cálculos de baixo grau de dificuldade,
os alunos não tiveram problemas para responder a essas questões. Observamos
nas conclusões e comentários, a presença das concepções espontâneas. Ao longo
da aplicação desta etapa, tivemos uma série de questionamentos referentes ao rádio
AM e FM.
Análise das respostas à questão a da 5.7.5
Diante o analisado nos itens anteriores quanto à geração e à recepção das
ondas eletromagnéticas, quais semelhanças ou diferenças existem entre a BT e o
Rádio?
Tabela 7: Resultados da questão a da 5.7.5
Classificação Número de alunos
Ótima 13
92
Boa 8
Regular 6
Ruim 0
Descrição da classificação da resposta:
Ótima: É considerada ótima se a resposta contiver as semelhanças e
diferenças entre a BT e o rádio, assim como a contextualização dos fatores
analisados.
Boa: Considera-se boa se forem explicitadas diferenças ou semelhanças
entre a BT e o Rádio;
Regular: Deve conter semelhanças ou diferenças entre o rádio e a BT;
Ruim: Resposta sem lógica, que não aborda os fatores relacionados para as
classificações acima.
Exemplos de respostas classificadas como ótimas.
A4G5 – A BT gera ondas eletromagnéticas devido ao seu campo eletromagnético,
sendo que as espiras funcionam como antenas transmissoras e não se tem uma
antena receptora fixa , já que a recepção pode ser qualquer coisa colocado em seu
campo, no laboratório tivemos como antena receptora o multímetro, e a lâmpada. Já
no caso das ondas de Rádio são geradas por osciladores eletrônicos instalados
geralmente em um lugar alto, para atingir uma maior região. Logo o nome “ondas de
Rádio”inclui as microondas, as ondas de TV, as ondas curtas, as longas e as
próprias bandas de AM e FM, e logo sua antena receptora é sempre a mesma, a que
tem o intuído de converter ondas eletromagnéticas em sinais elétricos, decodificação
dos sinais eletromagnéticos recebidos do espaço, captados pela antena,
transformando-os em ondas sonoras, sinais digitais e/ou analógicos. A televisão e o
Rádio automotivo, por exemplo, são receptores.
A4G3 – As semelhanças e similaridades entre a transmissão e recepção, a antena
de transmissão de rádio tem seu funcionamento semelhante a BT, transforma
variação de I e V, em ondas eletromagnéticas. Já a antena de recepção que é
semelhante a lâmpada na experiência da BT, capta as ondas eletromagnéticas, e a
transforma em variações de I e V. No caso do Rádio, transforma em música e a
lâmpada em luz.
93
Nas respostas classificadas como ótimas, é possível perceber e visualizar a
apreensão dos conceitos, sendo que o aluno consegue identificar as semelhanças
entre a BT e o rádio, assim como os efeitos das ondas eletromagnéticas numa
antena receptora e na lâmpada, aqui identificadas como antenas receptoras.
Exemplos de respostas classificadas como boas.
A2G1 – De acordo com Rios (2002), as ondas de Rádio que se propagam entre a
antena transmissora e receptora são chamadas ondas eletromagnéticas, tem na BT
e no Rádio. A antena transmissora transforma variações de tensão e corrente
elétrica, produzida pelo equipamento transmissor em ondas eletromagnéticas, sendo
a receptora responsável por pela captação das ondas transmitidas em sinais
elétricos, no experimento a lâmpada transforma em brilho.
A4G1 – Os dois aparelhos enviam ondas eletromagnéticas através do ar. Para essa
transmissão o Rádio utiliza de um antena, e a BT utiliza a ponta do indutor
secundário, que faz a mesma função da antena de Rádio. A antena de Rádio
também funciona como receptora.
Observa-se que alguns alunos identificam apenas a parte de cima da bobina
secundária como antena, e não a bobina como um todo. É interessante ressaltar que
a maioria dos alunos conseguiu identificar a presença da OEM nos dois aparelhos
analisados.
Exemplos de respostas classificadas como regulares.
AIG5 – Sim, essas ondas são capazes de transmitir informações.
A4G4 – A BT, produz OEM por causa do seu campo eletromagnético, sendo assim,
suas espiras funcionam como antenas transmissoras.
Deve-se estar ciente da imparcialidade e do profissionalismo necessários ao
processo científico; porém, comemoramos esse resultado, uma vez que na
comparação entre as grandezas físicas presentes na BT e o Rádio, foi possível
percebermos a aprendizagem do aluno, o que foi constatado com o número de
respostas classificadas como ótimas.
Observações:
Como esperado, a questão acima (Diante do analisado nos itens anteriores
quanto à geração e a recepção das ondas eletromagnéticas, quais semelhanças ou
94
diferenças existem entre a BT e o Rádio?) possibilitou ao aluno fazer uma conexão
entre as várias questões analisadas, pois uma resposta influencia de forma direta
em outra.
Classificação das respostas da questão b da 5.7.5
O que torna possível a lâmpada acender é o mesmo que possibilita às
informações chegarem ao rádio receptor? Explique.
Tabela 8: Resultados da questão b da 5.7.5
Classificação Número de alunos
Ótima 8
Boa 15
Regular 2
Ruim 2
Descrição da classificação da resposta:
Ótima: Resposta que explicite as ondas eletromagnéticas como agente
fundamental nos dois processos e contenha uma contextualização tecnológica;
Boa: Resposta que explicite as ondas eletromagnéticas como agente
fundamental nos dois processos;
Regular: Resposta que explicite as ondas eletromagnéticas como
responsáveis pelos dois fenômenos, mas que contenha erros conceituais;
Respostas em branco ou sem lógica.
Exemplos de respostas classificadas como ótimas.
A6G5 - Sim. O que possibilita a lâmpada acender são as ondas eletromagnéticas TX
pela BT como a BT transmite sua onda em baixa frequência a lâmpada não
acendera em uma longa distância. Ao contrario das ondas de Rádio que são de alta
freqüência, sendo possível percebê-la em longas distâncias.
A1G4 – Sim, porém com fenômenos de recepção diferentes, já que no caso da
lâmpada, a mesma capta as ondas eletromagnéticas e ocorre uma passagem de
corrente excitando os elétrons, já no caso do Rádio temos um decodificador que
converte as ondas eletromagnéticas em sinais elétricos.
95
Nessas respostas o aluno consegue expressar o agente responsável pelo
efeito e correlaciona a dependência entre a distância e a potência, além das
transformações que ocorrem no processo analisado.
Exemplos de respostas classificadas como boas.
A3G1 - Sim. A transmissão e recepção das ondas eletromagnéticas.
A2G2 – Sim. As duas tem uma recepção das ondas eletromagnéticas, o Rádio
receptor recebe as ondas eletromagnéticas também.
Como abordado na descrição da classificação das respostas, as classificadas
como boas são aquelas que expressam o agente responsável pelo fenômeno.
Exemplos de respostas classificadas como regulares.
A5G3 – A BT produz ondas eletromagnéticas por causa do seu campo
eletromagnético, sendo assim, suas espiras funcionam como antenas.
A6G4 - Sim, as ondas magnéticas e elétricas nos dois casos são as responsáveis.
É possível verificar que o aluno consegue identificar o agente causador dos
dois fenômenos. Porém, não consegue expressá-lo conceitualmente.
Exemplos de respostas classificadas como ruins.
NÃO RESPONDERAM
Observação:
Nessa questão, ficou claro para o aluno que a OEM é fundamental nos
processos analisados.
6.4.1.1 Observação quanto ao tópico “Explorando um pouco mais os
conceitos de eletromagnetismo”
Desenvolvemos esse tópico com o objetivo de avaliar alguns conceitos.
Porém, não obtivemos resultados satisfatórios na sua aplicação, dificultada pelo
tempo disponível. Tendo em vista estarmos em final de período, optamos por
resolver os exercícios com a participação ativa do professor, uma vez que os
objetivos para os quais esse tópico foi formulado não foram alcançados.
Ciente da necessidade de avaliarmos se houve apreensão dos conceitos
estudados na aplicação da sequência didática, optamos por propor ao aluno a
96
redação de um texto, o que lhe possibilitaria expor seu ponto de vista e
contextualizar as respostas abertas.
6.4.2 Análise dos textos escritos como forma de avaliação dos conteúdos
Salienta-se que essa avaliação foi aplicada uma semana após o
encerramento da sequência didática. Esse procedimento foi adotado com o objetivo
de analisarmos se houve construção dos conceitos científicos.
Tabela 9: Resultados da avaliação do texto redigido pelos alunos.
Classificação Número de alunos
Ótimo 0
Bom 1
Regular 20
Ruim 6
Classifica-se como ótimo o texto que cumpra todas as exigências do
enunciado e que contenha aplicações práticas dos conceitos analisados,
contextualizando-as perante a prática de Engenharia Elétrica.
Dos textos analisados, apenas um foi classificado como bom. Para ser
classificado como bom, o texto deve conter os requisitos pedidos na orientação para
a dissertação, que são a constituição da bobina de Tesla e sua relação com as
propriedades das OEMs (geração, transmissão e detecção das ondas
eletromagnéticas) e uma contextualização no dia a dia. No entanto, não obtivemos
tal resultado para a grande maioria dos textos redigidos.
Classifica-se como regular o texto que contiver parcialmente os itens
relacionados, mesmo que apresente concepções espontâneas. Esse texto deve
conter a constituição da bobina de Tesla e sua relação com as propriedades da OEM
(geração, transmissão e detecção das ondas eletromagnéticas).
Como exemplo, segue o texto do aluno A1G1, o qual foi classificado como
regular. Os textos que foram classificados como ruins não expressavam as
observações contidas na questão.
Orientação para a dissertação: O texto deve conter a constituição da bobina e
a sua relação com a criação, transmissão, detecção e recepção das OEMs. No
97
mesmo deve ser feita uma correlação com as equações de Maxwell e com o aparato
analisado. Deverá também contextualizar as primeiras pesquisas sobre o rádio e o
experimento analisado.
Texto exemplo da avaliação (classificado como regular)
A1G1 – A bobina de Tesla é composta por um transformador de Neón TP, que
possui a função de elevar a tensão da rede que é de 127VAC para o valor de
12kVAC, alimentando assim o capacitor.
O capacitor C possui a função de alimentar com uma energia X a bobina primária,
através do seu descarregamento após um Y tempo de carregamento que é definido
por uma constante RC que poderá se calculado através do produto da capacitância
em Faraday pela resistência equivalente de Thevin.
O faiscador F tem a função de definir o valor da tensão do descarregamento do
capacitor, este valor que pode variar de uma tensão mínima até máxima 12kV,
através do ajuste de distância dos seus terminais, utilizando o fenômeno de
rompimento da rigidez dielétrica do ar, dependendo da distância dos seus terminais
o capacitor irá carregar até o valor desejado e irá descarregar na bobina primária.
A bobina primária tem a função de produzir o campo eletromagnético variável,
através da circulação de corrente provida do capacitor. E a bobina juntamente com o
capacitor formará o circuito oscilador CL que definirá a sequência de oscilação do
campo eletromagnético. Logo se o seu desejo é mudar a frequência da tensão
induzida devo trabalhar no valor do capacitor ou B primária, no caso da BT é viável
no capacitor.
A bobina secundária é cortada pelo campo eletromagnético de alta freqüência
advinda da Bp e gera uma tensão de mesma freqüência, mas o seu valor respeitará
a formula da relação
VpNp=VsNs deduzindo Vp=VpNp.Ns , onde Vp=tensão primário, Np=número de
espiras de primário, VS=tensão secundário, Ns=número de espiras do secundário.
Tudo isso só é possível devido a colaboração e intervenção de várias figuras da
história.
As equações de Maxwell vão comprovar as experiências feitas na prática, onde há
uma interação entre a criação do campo elétrico pela simples presença de elétrons,
sua equação do campo magnético comprova a geração de campo magnético pela
circulação dos elétrons que carregam consigo o campo elétrico.
98
O que dizer sobre a participação de Tesla e Marconi, onde de forma prática, aplicou
toda a teoria eletromagnética, com a construção da bobina que recebeu seu nome,
BT, onde sua visão inicial que perdurou até o fim de sua vida era a transmissão de
energia sem a necessidade de fio elétrico.
O que de forma indireta se transformou na transmissão de rádio que temos até hoje.
Já a façanha de desenvolver a idéia de transmitir informação, claro utilizando o
princípio da BT, coube a Marconi e ao Padre Landell, que mesmo separados pela
geografia, e pelas dificuldades da troca de informações, realizaram experimentos
com a transmissão de radio.
Segundo historiadores a transmissão de rádio mesmo patenteada por Marconi havia
sido inventada efetivamente pelo Padre Landell, poucos anos antes.
Mas, de forma geral, até o reconhecimento científico, foi atribuído a Tesla a grande
descoberta da transmissão de energia, seja em pequenos mW (miliwatts) ou em
informações mais complexas.
Pois através de uma simples ponta terminal de uma bobina secundária que
funcionava como uma antena de transmissão, ele conseguia o transporte de campo
eletromagnético que se propagava no espaço, num circulo vicioso onde, campo
elétrico gerava campo magnético, e o campo magnético gerava campo elétrico, num
efeito semelhante a uma pedra jogada a água, escoando até os nossos dias, como
um grito: Obrigado Tesla.
A avaliação da sequência didática como um todo, foi feito mediante os
debates, pesquisas e questionamentos no decorrer da aplicação deste produto.
6.4.3 Depoimento dos alunos quanto à metodologia estratégica de ensino.
Segundo Knuppe (2006), o bom professor é aquele que sabe motivar o aluno,
e a motivação deve estar presente no processo de ensino e aprendizagem em todos
os momentos. A boa participação dos alunos depende diretamente do interesse pela
atividade. Isso foi analisado no decorrer da aplicação do produto. Todavia, para uma
melhor análise, solicitou-se aos alunos que respondessem a um questionário.
Salientamos que não se tratava de uma avaliação e que não conteria o nome do
aluno. Assim, o aluno poderia expor seu ponto de vista sem se preocupar com o
professor. Esse questionário é composto pelas seguintes:
99
Dê o seu depoimento quanto à abordagem didática para os itens abaixo:
1 - Como o professor abordou o assunto em sala de aula?
2 - Em que a execução do experimento contribui para facilitar a aprendizagem
dos conceitos estudados?
3 - A pesquisa realizada influenciou o seu ponto de vista quanto à invenção
do Rádio? Explique.
4 - Houve contextualização do assunto estudado em sala perante o
desenvolvimento tecnológico inserido no seu cotidiano e na sua formação
profissional? Por favor, explique.
A título de ilustração, escolhemos duas respostas para cada questão e, em
anexo, uma terceira, cuja imagem foi digitalizada com o objetivo de mostrar o
manuscrito do aluno.
Exemplos de respostas referentes à primeira questão
A4G4 – A forma como o professor aborda a matéria não passa apenas o conteúdo
para o aluno, ele instiga o aluno a pesquisar e buscar a matéria, o que ajuda para
que o conhecimento não seja apenas decorado e sim apreendido.
A2G1 – De forma interessante, ele consegui nos deixar mais curioso, fazendo com
que pesquisássemos mais sobre o assunto e automaticamente discutimos entre os
alunos, cada um com alguma visão diferente sobre o assunto.
Exemplos de respostas referentes à segunda questão
A2G4 – Todos os experimentos feitos no laboratório teve o seu objetivo alcançado, e
facilitou a compreensão dos alunos na conclusão da matéria, pois puderam observar
como a matéria estudada influencia na vida real
A3G1 - Contribui de forma significante, pois trabalhos dinâmicos, com participação
ativa dos alunos, e também uma parte importante que o incentivo à pesquisa ao
aluno.
Exemplos de respostas referentes à terceira questão
A2G3- Para mim foi tudo novidade. Ao fim defendo Tesla pois a base de tudo parte
se de seus fundamentos que foram aplicados pelos demais posteriormente,
obviamente também merecedores do crédito, mas a raiz em si foi plantada por Tesla,
100
a quem faltou saber aplicá-la.
A4G5- Sim. Pois na verdade nunca tinha procurado conhecer os conceitos de rádio,
o que fazia da minha visão sobre algo banal. Após esses estudos pude ver a
complexidade que se tem por traz disso.
Exemplos de respostas referentes à quarta questão
A2G3- Sim, justamente nessa questão de visão. Conhecer teorias, mas estar atento
e atualizado com o desenvolvimento e não ficar parado no tempo. No fundo os
fundamentos são os mesmos, mudaram apenas ajustes que farão diferenças
importantes e nesse aspectos temos que estar ligados.
A6G5 – Sim. Foram feitos diversos comentários sobre como esse assunto nos
influencia cada dia onde muitas vezes chegamos a não notá-las no nosso dia a- dia.
Diante o depoimento dos alunos e, tendo como base os resultados da
aplicação da sequência didática, concluímos que houve um relevante interesse do
aluno na análise experimental com a Bobina de Tesla.
101
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente trabalho apresentou uma sequência de atividades experimentais
para o ensino de ondas eletromagnéticas usando o aparato experimental Bobina de
Tesla. Constituíram o referencial teórico os conceitos sócio-históricos de Vigotski.
Assim, colocamos o professor como mediador do processo de ensino e
aprendizagem. Desta forma, ao executar a sequência didática, buscou-se interferir
no processo experimental, conduzindo à discussão entre os diferentes pontos de
vista, das equipes, quando estas relatavam suas análises após executar a
experiência e responder às questões.
O trabalho atingiu seus objetivos, desenvolvendo competências para o ensino
de física, como habilidades de análise e interpretação referentes às propriedades
das OEMs, possibilitando ao aluno fazer uma contextualização destes conceitos
perante aspectos tecnológicos presentes no seu cotidiano. Isso foi verificado nos
debates, nas análises das respostas e, principalmente, nas questões formuladas
pelos alunos. É interessante ressaltar a interação que houve entre o professor e os
alunos na execução da sequência didática quando, na visualização dos efeitos do
funcionamento da BT, surgiram várias questões que foram fundamentais para a
participação do professor como mediador dos debates.
Destaca-se também, na análise, a dificuldade na compreensão de alguns
conceitos do eletromagnetismo. Avaliando as respostas individuais dos alunos,
observa-se que, mesmo o aluno sabendo definir conceitualmente uma OEM, ele
apresenta grande dificuldade em diferenciar campo elétrico e magnético, dificuldade
essa que gera confusão na compreensão da função da bobina primária e da bobina
secundária na BT. Outra dificuldade que merece destaque verificou-se quando o
aluno afirma que a OEM, após ser emitida pela BT, continua sendo gerada pelo
movimento de cargas elétricas, sendo que essas afirmações continuavam mesmo
após a explicação prévia dos conceitos referentes à criação dos campos elétricos e
magnéticos e da relação entre eles na OEM. Assim, percebe-se a existência de
dificuldade em compreender que o campo elétrico cria um campo magnético e vice e
versa.
Ressaltamos também a importância em integrar a pesquisa no processo de
ensino, pois a cada aula seguinte os alunos traziam indagações e percebíamos que
102
tinham realizado pesquisas para explicar algum fenômeno que não haviam
compreendido.
Concluímos esse trabalho confirmando sua contribuição para o ensino por
meio da abordagem experimental dos conceitos científicos, instigando nos alunos o
raciocínio e o espírito investigativo por meio de uma cooperação mútua na solução
dos problemas propostos. Conjecturamos também que apenas a aula experimental
não será solução para os problemas de ensino dos conceitos abstratos do
eletromagnetismo. É necessário fazer a junção de aulas teóricas, experimentais,
pesquisas e proporcionar a contextualização dos conceitos científicos com as
tecnologias presentes no cotidiano do aluno, principalmente se o aluno for estudante
de cursos especializados na área tecnológica. Assim, os objetivos da aprendizagem
significativa serão alcançados.
Tivemos várias dificuldades ao longo do caminho, das quais destacam-se a
construção da BT e as limitações impostas pelo tamanho do laboratório. Mas tais
dificuldades não comprometeram o andamento dos trabalhos. Elas, na verdade,
possibilitaram a aprendizagem e o desenvolvimento juntamente com o professor.
Diante do exposto, pode-se concluir pela viabilidade da aplicação desta
sequência didática, pois a BT possibilitou o surgimento de questões que não teriam
ocorrido em uma aula puramente teórica ou em experimentos realizados apenas em
laboratório na abordagem “fechada”.
7.1 Pesquisas futuras
Devido à complexidade e abstração dos conceitos do eletromagnetismo e
ensino do mesmo, vários conceitos referentes às ondas eletromagnéticas não foram
abordados. A BT revela-se como excelente ferramenta para a realização de práticas
no ensino de ondas eletromagnéticas, das quais destacamos algumas investigações
dignas de pesquisas futuras:
I – Analisar o comportamento de lâmpadas de diferentes potências e
diferentes tipos de funcionamento (fluorescentes, incandescentes, vapor de
mercúrio, sódio e outros);
II- Fazer uma abordagem matemática e física mais profunda dos conceitos
referentes à construção, funcionamento e transmissão das OEMs da Bobina de
Tesla;
103
III- Fazer um estudo comparativo entre ensinar os conceitos de
eletromagnetismo usando a BT e uma abordagem puramente teórica, que faz uso
apenas de aulas expositivas;
IV- Fazer uma análise entre o uso da BT e outros experimentos para ensinar
os conceitos de eletromagnetismo.
104
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110
APÊNDICES
APÊNDICE A- PRODUTO EDUCACIONAL
1 Uso do vídeo Tesla Mestre dos Raios
Com o objetivo de apresentar aos alunos a importância das contribuições de Tesla
para a sociedade e despertar a curiosidade deles para o assunto, será exibido o
documentário, Tesla Mestre dos Raios, que retrata a vida e obra de Nicolas Tesla. O
documentário está disponível em
http://tvescola.mec.gov.br/index.php?searchword=TESLA+MESTRE+DOS+RAIOS&
ordering=newest&searchphrase=exact&limit=20&Itemid=116&option=com_search#c
ontent o qual foi acessado em 14 de maio de 2013.
Após o vídeo, organiza-se o debate, em que se abordam algumas questões
como:
- Quem foi Tesla?
- Quais inventos têm influência direta em sua vida?
- Qual o objetivo da construção da bobina de Tesla? Ele foi alcançado? Explique-o.
- Quem inventou o rádio? Como essa questão é abordada no documentário?
A fim de possibilitar ao aluno várias abordagens para uma maior discussão
quanto ao tema, adotam-se questões abertas. Seguem, na sequência dessa
dissertação, algumas questões aplicadas. Porém, o professor deve formulá-las de
acordo com a reação dos alunos na exibição do vídeo.
Com informações adquiridas ao assistir ao documentário e ao debate, passa-
se para a etapa de execução do experimento.
2 Materiais e equipamentos utilizados nas atividades experimentais
- bobina de Tesla constituída por transformador neon, capacitor, indutor primário e
secundário e faiscador;
- cinco (5) Lâmpadas fluorescentes 40w;
- multímetro, do qual será utilizados o frequencímetro e voltímetro;
- cinco (5) trenas;
111
Ressalta-se que, com exceção do transformador neon, todos os componentes
da bobina de Tesla foram construídos pelos alunos. Os detalhes dessa construção
encontram-se em anexo.
3 Analisando a bobina e o campo eletromagnético
3.1 Identificando os componentes da bobina e as finalidades de cada item
Material utilizado:
Bobina de Tesla (BT)
a) Para os itens listados abaixo, identifique na Bobina de Tesla (BT), explique
seu funcionamento e descreva sua função para o funcionamento da BT:
1 transformador Neon;
2 faiscador;
3 capacitor;
4 indutor primário;
5 indutor secundário.
Nessa etapa, o professor revisa conceitos sobre o funcionamento das partes
constituintes da bobina, podendo estender a aplicações de alguns componentes nas
tecnologias existentes.
4 Detectando a presença de campo eletromagnético
1. Material utilizado:
1. bobina de Tesla;
2. trenas;
3. lâmpadas fluorescente tubular 40 w;
a) Cada equipe, tendo uma trena em mãos, deve medir a distância
(Figura 1) a partir da bobina, marcando diferentes pontos onde a
112
lâmpada será colocada para observar a influência do campo
eletromagnético na lâmpada fluorescente.
Figura 1: posições para medir o brilho da lâmpada Fonte: dados da pesquisa
b) Em seguida, deve-se ligar a BT, variando a posição da lâmpada
começando com um, depois posicionando a dois e finalmente a três
metros, deve-se observar a potência emitida pela lâmpada para cada
posição desta. Como citado as distâncias para posicionar a lâmpada
são:
1,0m; 2,0m e 3,0m (Figura 2).
Figura 2: verificando a influência das ondas eletromagnéticas na lâmpada fluorescente
113
Fonte: dados da pesquisa
c) Refaça o item 1.1, segurando a lâmpada a 0,3 m do solo (Figura 3);
Figura 3: observando a influência das ondas eletromagnéticas, à distância de um metro da BT e a 0,30m do piso. Fonte: dados da pesquisa.
d) Explique a dependência entre a potência emitida pela lâmpada e as
distâncias analisadas.
e) O que se pode concluir quanto ao item 1.1 e 1.2 ? Explique.
f) Segure a 0,50m da extremidade inferior da lâmpada, ligue a bobina.
Segure na extremidade inferior da lâmpada e ligue a bobina. Descreva
o fenômeno.
5 Verificando a presença de tensão elétrica transportada pelas ondas
eletromagnéticas
Material utilizado:
1. bobina de Tesla;
2. trena;
3. voltímetro.
114
a) Cada equipe, tendo um voltímetro em mãos, deve posicionar-se nos pontos
marcados. Coloque as pontas de prova voltada para o teto (Figura 4), ligue a
BT, afaste o multímetro e registre a intensidade da tensão para as distâncias:
1,0m; 2,0m; 3,0m e 4,0m;
Figura 4: medindo a tensão elétrica, ao fundo está a Bobina de Tesla.
Fonte: dados da pesquisa.
b) Refaça o item a, segurando o voltímetro a 0,3m do piso.
c) O que se pode concluir? Explique.
d) Como é possível existir tensão no ar?
e) Pode-se afirmar que o brilho da lâmpada depende da tensão aplicada? Por
que?
f) Ondas se propagando entre duas antenas, similares às usadas em
telecomunicações devem transportar potência? Como se pode quantificar
isso? Sugestão, analisar o tópico Vetor de Poynting.
115
Segundo Nascimento (2000), o “enfraquecimento” da onda eletromagnética
no vácuo é um fenômeno puramente geométrico. A frente de onda é igual em todas
as direções e a sua intensidade é dada pela Equação
(7)
Onde:
I é a potência à distância r de uma fonte, em W/m2;
r é a distância entre o observador e a frente de onda, em, m;
Pt = potência transmitida, em W (no SI).
g) Discuta a relação dessa equação com a intensidade do brilho da lâmpada,
analisado no item 2.1 e com os valores obtidos em 3.1.
6 Identificando as antenas geradoras e receptoras de ondas
eletromagnéticas
OBS. O professor deve ressaltar que toda a bobina de Tesla é composta
tanto pelo indutor primário quanto o secundário, assim evita-se uma confusão entre
as partes da BT. Constantemente os alunos quando se referem a BT trocam a
expressão BT por bobina secundária.
a) Identifique, no experimento realizado para verificação da tensão
elétrica e influência das ondas eletromagnéticas na lâmpada fluorescente, a antena
emissora e receptora. Explique como se deu essa identificação.
b) Comente a relação entre a potência irradiada pela bobina de Tesla com
as tensões encontradas em pontos diferentes no item 4.1.
c) Existe uma relação entre essa potência irradiada com o brilho da
lâmpada analisado, no item 1.4? Explique.
d) As ondas eletromagnéticas possibilitaram a lâmpada acender? É
possível funcionar um liquidificador com essas ondas? Por quê?
8 Analisando o comprimento de onda
116
Material utilizado:
1. bobina de Tesla;
2. trena;
3. frequecímetro.
a) Com o valor registrado pelo frequencímetro, calcule o comprimento de
onda (λ) expressando sua unidade em SI (Sistema Internacional de
medidas).
E o comprimento de onda (λ), é que diferencia uma onda eletromagnética da
outra. A frequência das ondas de rádio, vai de 530 KHz a 1.600 KHz Rádio AM.
b) O que se pode concluir ao se comparar o comprimento de onda da bobina
de Tesla ao do rádio?
c) Calcule o período (T) dessas ondas (item 5,1 e 5.2) e represente-o em
desenho.
9 Semelhanças e diferenças entre as ondas eletromagnéticas geradas
pela BT e o sistema de Rádio.
a) Diante o analisado nos itens anteriores quanto à geração e a recepção das
ondas eletromagnéticas, quais semelhanças ou diferenças existem entre a BT e o
Rádio?
b) O que possibilita a lâmpada acender, em 2.1 é o mesmo que possibilita as
informações chegarem ao rádio receptor? Sim. Não. Explique.
c) As ondas de rádio são semelhantes às ondas geradas na BT (Bobina de
Tesla)? Explique.
Sugestão: Volte ao item 5.2.
d) Segundo o documentário Tesla Mestre dos Raios, o primeiro pedido de
patente da invenção do rádio, foi negado a Marconi, devido às semelhanças ao de
Tesla. Que semelhanças são essas?
e) Alguns historiadores atribuem a “Tesla a invenção do Rádio”. Esse feito é
relacionado a Nicolas Tesla devido a pesquisas com a bobina de Tesla. Tendo
analisado o funcionamento da bobina de Tesla, quanto à geração, à transmissão e à
117
recepção das ondas eletromagnéticas, construa um texto de dez (10) linhas,
apresentando sua conclusão.
10 Finalizando este trabalho faça uma pesquisa sobre o Padre Roberto
Landell de Moura.
a) Após a pesquisa, você mudaria algo na sua conclusão? Por quê?
11 Explorando um pouco mais o eletromagnetismo da Bobina de Tesla
a) Adotando o comprimento l, a área A e número de espiras N2 do indutor
secundário, da bobina de Tesla e o número de espiras do indutor primário N1
. Calcule a indutância mútua.
b) Sabendo que a intensidade da corrente no indutor primário é fornecida pelo
transformador, adote a indutância mútua calculada no item anterior, para
calcular o fluxo magnético médio através de cada espira do solenóide
secundário.
c) Adotando o valor do campo magnético calculado no exercício 1 e a equação
que relaciona, o campo magnético com o elétrico, calcule o campo elétrico.
Dados : kar = 1,00029 (MARCOS,2012).
d) Utilizando os dados calculados no itens anteriores, calcule com uma
aproximação o vetor de Poynting e o módulo. Esses valores estão de acordo
com a realidade das ondas eletromagnéticas emitidas pela bobina de tesla?
Explique.
e) Calcule a intensidade da onda eletromagnética emitida pela bobina de Tesla
sobre a lâmpada fluorescente. Esses valores estão de acordo com a
realidade? Explique.
118
APÊNDICE B- DESCRIÇÃO COMPLETA DE ALGUMAS RESPOSTAS DOS ALUNOS
Com o objetivo de demonstrar respostas da sequência didática, escolheu-se de
forma aleatória duas folhas de respostas.
Respostas transcritas de acordo com a escrita e linguagem do aluno 1 ( A1)
Resposta do aluno referente a questão ( posicionando a lâmpada a 1; 2 e 3m da BT) :
1,0m – Maior é a intensidade da luminosidade.
2,0m – A luminosidade da lâmpada diminui.
3,0m – A luminosidade fica bem mais fraca.
A1
Resposta referente a questão ( refazendo o experimento anterior, porém a 0,3m do
solo)
A luminosidade fica menor, pois a quantidade de espiras é menor do que no meio e fim
da bobina.
A1
Resposta referente a questão a) 5.7.2
Quanto mais aproximar a lâmpada da bobina e maior o numero de espiras “referente a
altura”, a luminosidade será mais intensa.
A1
Resposta referente a questão b) 5.7.2
Há 0,3m a intensidade do campo magnético é menor, devido ao numero menores de
espiras, numa maior altura o campo magnético será maior, por uma concentração
maior de espiras, assim a luminosidade será maior.
A1
Resposta referente a questão c) 5.7.2
Segurando a 0,5m na extremidade da lâmpada a mão fecha o circuito, gerando a
luminosidade ate o ponto de contato, pois é descarregado pelo corpo ao chão.
A1
Resposta referente a questão (anulada devido erros no procedimento experimental)
A parede feita pelo papelão não apresentou impedância a propagação do campo
magnético.
A1
119
Resposta referente a questão (anulada devido erros no procedimento experimental)
Que após a colisão da onda direta com o morro, a onda passa a ser difratada,
ocorrendo igualmente com o exemplo do papelão, quando a onda eletromagnética
passa pelo mesmo e passa a ser difratada.
A1
Resposta referente a questão 5.7.3 (medidas de tensão à diferentes pontos a partir da
BT)
1,0m – tensão do voltímetro chegou a 730V.
2,0m – tensão do voltímetro chegou a 400V.
3,0m – tensão do voltímetro chegou a 200V.
4,0m – tensão do voltímetro chegou a 3V.
A1
Resposta referente a questão 5.7.3 (medidas de tensão à diferentes pontos a partir da
BT)
A 0,3m do chão a tensão chegou a 270V.
A1
Resposta referente a questão a) 5.7.3
Que aproximando os terminais à bobina, a tensão aumenta.
A1
Resposta referente a questão b) 5.7.3
O ar,funciona como um isolador elétrico, ai quando a tensão elétrica gerada pelo
campo eletrostático excede a sua tensão de rupturas dielétricas, assim o ar ioniza-se e
torna-se um condutor.
A1
Resposta referente a questão c) 5.7.3
Podemos sim, quanto maior a tensão, maior será o campo eletromagnético e maior
também será a corrente induzida na lâmpada.
A1
Resposta referente a questão d) 5.7.3
Quando as ondas se propagam fazendo contato com o solo, elas sofrem muita
atenuação por absorção. Sendo assim, o sinal aquece a terra perdendo energia, e a
A1
120
atenuação das ondas da superfície aumenta rapidamente com o aumento da
freqüência. Essa atenuação faz com que as ondas de superfície com polarização
vertical se curvem acompanhando o contorno da Terra, tornando possível a
transmissão de ondas de baixas freqüências a grandes distancias, quando o sinal
emitido pela antena tem eleva potencia.
Resposta referente a questão a) 5.7.3.3
No teste realizado com as pontas do multi-teste em formato “V”, funcionaram como
antenas receptoras que captaram as ondas eletromagnéticas de alta freqüência, ondas
essas emitidas pelo condutor no final da bobina de tesla.
A1
Resposta referente a questão b) 5.7.3.3
Longe a potência é menor
A1
Resposta referente a questão c) 5.7.3.3
Sim. A potência irradiada pela bobina de tesla foi suficiente para ordenar os átomos no
interior da lâmpada, fazendo circular uma corrente elétrica e assim fazendo com que a
lâmpada produzisse luminosidade.
A1
Resposta referente a questão d) 5.7.3.3
Não acho possível, pois a potencia liberada pela bobina não seria suficiente para fazer
com que o liquidificador ligasse. E também creio que se isso fosse possível, nós
humanos ficaríamos vulneráveis a choques, pois seria praticamente uma rede elétrica
sem fio!
A1
Resposta referente a questão a) 5.7.4
λ=CF=300.000.0008.000=37.500 metros
A1
Resposta referente a questão b) 5.7.4
Radio tem frequência em Kilohertz e Megahertz. O pulso de eletricidade se espalha
como uma onda de radio e mantém sua propagação.
A1
Resposta referente a questão c) 5.7.4
Período rádio: T= 1f = 1/ 106 = 11x109
Período BT: T= 1f = 1/ 8000= 125x10-6
A1
121
A1
Resposta referente a questão a) 5.7.5
BT: gera ondas com freqüência menor que o radio. A onda é a mesma.
O rádio conta com centenas de transmissão e recepção, processo semelhante a
Bobina de Tesla que tem a bobina atuando como antena de transmissão.
A1
Resposta referente a questão b) 5.7.5
Sim. No radio receptor, as informações chegam da antena transmissora, que
transforma variações de tensão e corrente em ondas eletromagnéticas. Já na BT, o
que possibilita a lâmpada acender é o campo eletromagnético formado através de alta
tensão. A Bobina de Tesla é um transmissor de radio sem a centelha.
A1
Resposta referente a questão c) 5.7.5
Sim. Estão com freqüência semelhante, porém com intensidade menor. O período da
bobina ainda é maior que o do radio, porem estamos trabalhando com objetivos
diferentes: Transporte de energia e de informação.
A1
Resposta referente a questão d) 5.7.5
Ao todo pelo menos 17 patentes foram usadas por Marconi. Na BT, há conceitos de
quebra da rigidez dielétrica do ar, circuitos ressonantes e transmissão e recepção de
energia pelo ar através de ondas eletromagnéticas, ou seja, ilustrando os princípios de
radio.
A1
Resposta referente a questão e) 5.7.5
Tesla não deixa de ter contribuído para a descoberta do radio. O radio “de Marconi”,
possui todos os princípios descobertos antes por Tesla. O principio de geração de
ondas eletromagnéticas que deu origem a diversos conceitos e equipamentos que
conhecemos. Mas, o fato é que os trabalhos de cada um estão extremamente ligados
aos de seus antecessores e não podem ser considerados isoladamente.
A1
Resposta referente a questão g) 5.7.5
Sim. Ainda que com aparelho rudimentar, muito antes, o padre trouxe o principio de
A1
122
transmissão e recepção sem fio da voz e com êxito. Tudo isto antes de Marconi iniciar
seus primeiros testes, logo, Landell foi o primeiro no objetivo do radio, já que o fazia
ao mesmo tempo que Tesla, que objetivava outra coisa.
Respostas transcritas de acordo com a escrita e linguagem do aluno 2 ( A2)
Resposta referente a questão ( análise da luminosidade medida em diferentes pontos
a partir da BT)
1m, o brilho da lâmpada é mais intenso;
2m, o brilho da lâmpada diminui;
3m, a lâmpada apaga.
A2
Resposta referente a questão a) 5.7.2
Criou um campo eletromagnético, quando vai distanciando, a sua carga diminui.
A2
Resposta referente a questão a) 5.7.2
Quanto mais se aproxima da bobina mais a lâmpada aumenta sua luminosidade pelo
fato do campo elétrico ser maior e o fluxo também aumentar. Sendo assim, com as
menores distancias, a luminosidade será maior e com maiores distancias a
luminosidade conseqüentemente será menor.
A2
Resposta referente a questão b) 5.7.2
Na parte debaixo da bobina possui um menor numero de espiras, sendo assim o
campo magnético é menor (indutor primário). Já na parte superior da bobina, o
numero de espiras é maior, conseqüentemente o campo magnético será maior
(indutor secundário).
A2
Resposta referente a questão c) 5.7.2
A Mão em contato com a lâmpada esta bloqueando o circuito naquele ponto
impedindo que o fluxo continue.
A2
Resposta referente a questão ( anulada devido falhas no procedimento experimental)
A lâmpada acende das duas maneiras. Não há diferença. Sendo assim o papelão
A2
123
não isola o campo magnético.
Resposta referente a questão b) 5.7.3
A intensidade de campo de uma onda eletromagnética e inversamente proporcional à
distancia da fonte de origem. Portanto, se um ponto de recepção de sinais de um
emissor em uma estação está situada em uma distancia em dobro de outra estação,
a intensidade de campo na estação receptora mais distante será justamente a
metade da intensidade do campo que foi detectada na estação receptora mais
próxima. Isto ocorre porque o fecho de energia da frente da onda devera distribuir-se
sobre uma maior superfície na medida em que a onda eletromagnética se distancia
do emissor. Esta lei inversa da distancia esta baseada na suposição de que não
existe nada no meio ambiente em que a mesma se propaga e que venha a absorver
energia da onda durante sua trajetória, o que acontece no espaço livre não e o
mesmo que esta acontecendo em uma transmissão na pratica, pois a onda
eletromagnética ao percorrer sua trajetória através da atmosfera e em torno da terra
encontra numerosos obstáculos que vão absorvendo e atenuando sua energia.
A2
Resposta referente a questão c) 5.7.3
A luminosidade ou brilho da lâmpada relaciona-se com a tensão à qual for ligada:
tensão nominal - brilho normal; tensão menor que a nominal - brilho menor que o
normal e tensão maior que a nominal – brilho maior que o normal: a lâmpada pode
queimar-se.
A2
Resposta referente a questão d) 5.7.3
Uma linha de transmissão é um dispositivo de dois terminais capaz de guiar energia
de um ponto a outro. Em um dos terminais a potencia (ou informação) é inserida e no
outro terminal essa potencia é extraída. O principal uso de linhas de transmissão é a
transferência de sinais e potencia entre dois pontos. As linhas de transmissão são
geralmente grandes em uma dimensão e pequenas nas outras duas. Nas freqüências
utilizadas para transmissão de potencia, as dimensões transversais são muito
pequenas quando comparadas
A2
com λ (comprimento de onda). A2
Resposta referente a questão a) 5.7.3.3
No experimento da Bobina de Tesla a antena emissora é o transformador que
transforma a energia de onda, a antena receptora é a lâmpada e o voltímetro.
A2
124
Resposta referente a questão b) 5.7.3.3
Mais próximo maior a potencia e maior a tensão.
A2
Resposta referente a questão c) 5.7.3.3
Sim, porque a potencia da lâmpada sendo maior, maior será o seu brilho por causa
da intensidade.
A2
Resposta referente a questão d) 5.7.3.3
Sim. Não. Porque as ondas da Bobina de Tesla não oferecem potencia suficiente,
será necessário um circuito para receber as ondas.
A2
Resposta referente a questão a) 5.7.4
λ=CF=300.000.0008.2Khz=35x103 metros
A2
Resposta referente a questão b) 5.7.4
Pode-se concluir que a frequência da Bobina de Tesla é aproximadamente 10 vezes
inferior que a mínima frequência da onda de radio. Deste modo a bobina não interfere
nas ondas de radio.
A2
Resposta referente a questão c) 5.7.4
T=1/f T=1/8,2khz T=1,14x10-4
Tr=1/f T=1/88khz T=1,14x10-6
A2
Resposta referente a questão d) 5.7.4
V= λ/t v= 35x101/1,22x10-4 v=286,88x106 m/s
Vr= λ/t λ=300/88mhz = 341m
Vr= 341 / 1,14x10-6 Vr= 299x106 m/s
A2
125
APÊNDICE C- A CONSTRUÇÃO DA BOBINA DE TESLA
BOBINA DE TESLA
1 INTRODUÇÃO
Como citado na introdução deste estudo, a falta de equipamento adequados
para experimentação em eletromagnetismo, dificulta o processo de ensino-
aprendizagem. Neste tópico aborda-se-á a construção do aparato experimental
Bobina de Tesla (BT), a qual possibilitará as mais fascinantes demonstrações em
eletromagnetismo, como por exemplo; o ensino de blindagem eletromagnética
(aplicação da gaiola de Faraday), efeito de altas tensões em gases sobre baixa
pressão (efeito corona), comportamento de isolantes sob altas tensões e a
“presença” de campo eletromagnético no espaço, foco desta dissertação.
Todas as partes constituintes do protótipo abordado, foram construídas pelos
alunos sob orientação e acompanhamento do professor autor desta dissertação,
com o fim de obtenção dos créditos na disciplina circuitos elétricos I.
A seguir, descreve-se a construção e abordagem teórica do funcionamento da
Bobina de Tesla. Com o objetivo de mostrar os conceitos de eletromagnetismo
presentes na BT e possibilitar ferramentas para outras abordagens didáticas em
sala, inserimos um tópico com abordagem mais científica da BT.
2 CONSTRUÇÃO
As dimensões físicas do protótipo usado neste trabalho, foram escolhidas
com o objetivo de conseguir descargas de aproximadamente quarenta centímetros
(40 cm) nos terminais da bobina secundária, portanto, Bobinas de Tesla, que com
dimensões menores podem ser encontradas em http://www.megavolts.nl .
126
2.1 Materiais utilizados
- Seis (06) tábuas, de trinta centímetros (0,30m) de largura e quarenta centímetro
(0,40m) de comprimento; que constituirão a bobina primária ou indutor (L1);
- Para bobina primária (indutor L1), quinze metros (15m) de tubo de cobre
comumente utilizado em refrigeração, ou quinze metros (15m) de fio rígido dez
milímetros (10mm );
- Um (01) cano PVC duzentos milímetros (200 mm) de diâmetro e um metro e
setenta (1,70 m) de comprimento, será usado na construção da bobina secundária
(indutor L2);
- Para construir a bobina secundária (L2), um kilograma (1,0kg) de fio esmaltado
número vinte e quatro (24), utilizado para enrolar motores elétricos. Esse fio, pode
ser comprado em lojas de materiais elétricos ou oficinas de manutenção de motores
elétricos;
- Um litro (01L) de verniz isolante, o qual é adquirido em lojas de materiais elétricos
ou oficinas de manutenção de motores elétricos;
- Uma lixa média (lixa usada para lixar lataria de carros);
um (01) pincel;
- Uma placa de vidro quadrada, com dimensões de quarenta centímetros (40cm) que
será o dielétrico do capacito (C);
- Usado na construção do capacitor, dois (02) pedaços de folha de alumínio
(comumente utilizado para “forrar” fogão), ou alumínio usado em gráfica, com
dimensões de trinta centímetro (30cm) por trinta centímetros (30cm);
- Uma lata de verniz isolante, que poderá ser comprada em lojas de materiais
elétricos ou oficinas de motores elétricos;
- Para o centelhador, dois (02) pedaços de vareta para solda oxigênio, com dez
centímetros de comprimento (10cm), dois (02) pedaços de tubo PVC de meia
polegada (1/2) e duas rolhas de borracha;
- Dois metros (02m) de cabo de quatro milímetro (04mm);
transformador neon;
Obs. Este componente possui custo mais elevado (360,00RS)(pesquisado em
12 de janeiro de 2013), todavia consegue-se resultado similar, utilizando flyback de
127
TV (encontra-se em oficinas de eletrônica), mais detalhes em
www.feiradeciencias.com.br.
Alguns materiais listados podem ser visualizados na Figura- 1.
Figura-1: componentes para montagem do aparato experimental. Fonte: dados da pesquisa
2.1.1 Perigos
Será descrito abaixo a construção de um protótipo simples, usado para esta
dissertação, esse protótipo de BT, possui valores de tensão extremamente elevados,
assim, torna-se necessário algumas observações.
2.2 Indutor primário
Para o protótipo desta dissertação utilizou-se uma bobina em formato de
cone, Figura . O formato cilíndrico possibilita um melhor ajuste, porém os modelos
planos e cônicos, se bem calculados e construídos, apresentam um melhor
rendimento, especialmente a cônica( ).
Corta-se a tábua no formato de triângulo retângulo, Figura, com quarenta
centímetros (40cm ou 0,4m) de base, trinta centímetros (30 cm ou 0,30m) de altura e
128
cinquenta centímetros de hipotenusa, nessa, a cada um centímetro (0,01m) faz-se
furos para fixar o condutor da bobina primária (Figura- a).
Figura 2 : corte e marcação para a execução dos furos. Fonte: dados da pesquisa.
Em seguida, faz-se furos com espaços, de forma que não encoste uma espira
na outra. Após, passa-se para o processo de fixação das espiras. Figura 3.
Figura 3: fixação do fio nos furos do suporte ( tábuas cortadas em triangulo), para montagem da bobina primária em formato de cone.Fonte: dados da pesquisa.
A bobina primária foi fixada em uma base de madeira, na qual, para facilitar o
transporte, adaptamos quatro rodinhas (optativas). No centro da bobina primária,
fixamos um carretel de fio de cobre, que tem o diâmetro externo equivalente ao
diâmetro interno do tubo de PVC da bobina secundária, assim, possibilitando o
encaixe da bobina secundária à base (ficando o carretel embutido no tubo PVC do
indutor secundário). Os valores da indução serão calculados no próximo tópico.
129
2.3 Indutor secundário
Constituído de fio de cobre número vinte e quatro (24) enrolado no tubo PVC
de duzentos milímetros de diâmetro (200mm) e um metro e setenta de altura (1,70
m), essa bobina é constituída de mais de 2900 espiras (Figura 4 ).
Figura 4: construção da bobina secundaria pelos alunos de Engenharia Elétrica.
2.3.1 Observações
Deve-se raspar a superfície do tubo com lixa média, passar duas (02) demãos de
verniz isolante e esperar secar.
Ao enrolar o fio de cobre número vinte e quatro (24), deve-se atentar para
enrolar voltas ao lado de voltas e não enrolar uma sobre a outra, Figura 4.
Feito isto, deve-se passar 4 demão de verniz isolante, o qual impedirá curto
circuito entre as espiras. A bobina secundária do protótipo aqui descrito possui 2900
espiras. Sites como www.feiradeciencias.com.br e www.teslacoils.com.br mostram o
passo a passo para esta etapa.
130
2.4 O capacitor
O capacitor de placas paralelas foi construído com as dimensões do dielétrico
(placa de vidro), a qual possui quarenta por quarenta centímetros (40 cm x 40cm), o
papel alumínio, cortado no formato quadrado trinta por trinta centímetro (30cm x
30cm) que formará as placas condutoras do capacitor, devendo ser coladas na
superfície inferior e superior do alumínio. Estas placas de alumínio (folhas de
alumínio) devem ser coladas de forma que fiquem a cinco centímetros da
extremidade do dielétrico ( placas de vidro) Figura 5, esta distância impedirá o efeito
de borda (descargas entre as extremidades das superfícies condutoras do capacitor,
no caso as placas de alumínio).
Figura 5: capacitor construído para o protótipo (dois capacitores associados). Fonte: dados da pesquisa.
Para evitar acidente com o capacitor, deve-se colocar placas de vidro ou
isolante, sobre a superfície condutora ( Placas de alumínio) inferior e superior. O
capacitor construído para este protótipo, possui o cálculo de sua capacitância no
tópico transferência de energia, e pode ser aumentada associando outros
capacitores em paralelo, Figura 6 .
131
Figura 6 : associação de capacitores. Fonte: LABURU,1991.
2.5 O centelhador
Construído sob a base de acrílico, na qual foram fixados dois tubos PVC de
meia polegada (1/2”) e 10 cm de altura. Esse tubo possui um furo a um centímetro
(01cm) da extremidade superior, para instalar-se os terminais do centelhador,
(Figura 7)
Figura 7: Centelhador. Fonte: LABURU,1991.
Os terminais do centelhador foram feitos com pedaços de arame para solda
oxigênio de dez centímetros (0,10m) de comprimento. Na extremidade fixou-se
rolhas de borracha. O faiscador tem a função de determinar a frequência das
descargas do capacitor e otimizar a descarga no terminal secundário da BT.
2.6 Montagem e funcionamento
132
2.6.1 Circuito primário
O circuito primário é formado por quatro (04) componentes. O transformador
primário (TP), foi o único componente não construído devido ao grau de dificuldades.
Este transformador possui voltagem de saída de doze quilovolts (12kv), com uma
corrente nominal de trinta miliamper (30mA). Além do transformador, temos o
capacitor (C), o indutor (L1), e o centelhador, (Figura 8).
Figura 8: esquema elétrico da bobina de tesla. Fonte: Laburu (1991).
Na Figura observa-se o transformador (TP) ligado em paralelo ao capacitor
(C) e o indutor primário (L1). Observe no circuito que entre uma das extremidades do
capacitor (C ) e o indutor (LP), temos o centelhador.
Para uma melhor compreensão, é possível visualizar na Figura 9, o protótipo usado
para esse trabalho.
133
Figura 9: Bobina de Tesla usada para a sequência didática.
2.6.1 Circuito secundário
Formada apenas pela bobina secundária, indutor (LP) Figura 3, essa bobina
tem a função de criar o campo eletromagnético analisado na sequência didática.
2.7 Funcionamento
A Bobina de Tesla é um transformador elevador de tensão com núcleo de ar,
é um circuito ressonante que tem a capacidade de transferir energia, seu
equivalente em circuito, consta na Figura 10.
134
.
Figura 10: circuito elétrico da Bobina de Tesla. Fonte: Laburu (1991)
Quando o transformador T é energizado e estando a extremidade do
centelhador a uma distância suficiente para vencer a rigidez dielétrica do ar ( campo
elétrico máximo suportado por um isolante), é produzida uma centelha entre os
terminais do centelhador, fechando desse modo, o circuito primário e toda energia
armazenada no capacitor vinda do transformador flui para o indutor LP, que é
percorrido por um pulso elétrico criando um campo eletromagnético em torno da
bobina secundária.
Esse campo possui um campo magnético variável, que induzirá uma corrente
na bobina secundária LS. Essa absorve a energia do campo eletromagnético
ampliando a voltagem, produzindo centelhas de milhares de volts, Figura 11.
Figura 11: descarga do terminal superior do indutor secundário LP. Fonte: dados da pesquisa.
135
Ao energizar a BT, ocorre uma ionização do ar causando efeitos
espetaculares como o efeito corona. O campo eletromagnético criado pelo indutor
secundário LS, foi o fenômeno fundamental para essa sequência didática.
136
APÊNDICE D – LÂMPADA FLUORESCENTE: FUNCIONAMENTO, BRILHO E LUMINOSIDADE
1 Funcionamento de uma Lâmpada fluorescente
A lâmpada fluorescente foi outra invenção pioneira do Físico e Engenheiro
Nicolas Tesla. Ela possui grande eficiência por emitir mais energia eletromagnética
em forma de luz do que calor ( HARRIS, 2013).
A lâmpada fluorescente é constituída de um tubo selado de vidro, contendo
em seu interior uma pequena porção de mercúrio e um gás inerte, comumente o
argônio. O mercúrio e o argônio são mantidos sob baixa pressão, já o tubo de vidro
possui um revestimento interno de pó de fósforo, que, por sua vez filtra a radiação
ultravioleta deixando passar apenas luz visível. O tubo possui também dois eletrodos
em seus terminais. Esses eletrodos são conectados ao reator acoplado à rede
elétrica de corrente alternada. Na Figura 1 podemos visualizar parcialmente os
elementos constituintes da lâmpada fluorescente.
Figura 1: Componentes da lâmpada fluorescente. Fonte: HARRIS, 2013.
Quando aplicada um voltagem considerável através dos eletrodos, uma
corrente flui pelo gás de uma extremidade à outra. As colisões entre os elétrons e os
137
átomos de mercúrio dentro do tubo excitam os átomos, jogando-os para níveis de
energia mais altos. Esses átomos, ao retornarem para seus níveis de energia
originais (menor energia) possibilitam a liberação de fótons de luz.
A lâmpada estando perto da BT funciona como uma antena receptora. Ao receber
o campo eletromagnético, este campo provoca uma diferença de potencial entre as
extremidades da lâmpada, a superior e a outra extremidade em que o aluno está
segurando, isto possibilita uma corrente elétrica no interior da lâmpada
desencadeando o processo de emissão de fótons.
2 Brilho e luminosidade
Usando-se uma lâmpada fluorescente procura-se inferir as características do
campo elétrico que, juntamente com o campo magnético, compõe o campo
eletromagnético gerado pela BT. Aparece uma diferença de potencial na lâmpada
proporcional à amplitude do campo elétrico, que resulta na sua emissão de luz.
Portanto, pretende-se relacionar de forma qualitativa a luminosidade (ou potência
luminosa) da lâmpada à amplitude do campo elétrico da onda eletromagnética
gerada pela BT. No entanto, deve-se atentar para as seguintes considerações:
- A luminosidade é uma característica da lâmpada (submetida à diferença de
potencial), enquanto o olho é sensível ao seu brilho (ou fluxo luminoso) e este
depende da distância que o olho está da lâmpada;
- A resposta do olho ao brilho não é linear, mas ocorre de forma logarítmica. Isto
pode ser exemplificado pela relação logarítmica, usada em Astronomia, para
relacionar a magnitude ao brilho das estrelas, sobre o que discorre-se, por exemplo,
em Vertchenko e Silveira (2010).
138
APÊNDICE E - ANÁLISE DAS CONCEPCÕES ESPONTÂNEAS NA COMPRENSÃO DOS CONCEITOS DE CAMPO ELETROMAGNÉTICO
I INTRODUÇÃO
A grande dificuldade encontrada por docentes e discentes para ensinar e
aprender os conceitos de eletromagnetismo nos levou a formular um estudo acerca
deste. O tema é inerente ao cotidiano de qualquer cidadão, pois o desenvolvimento
tecnológico se dá mediante a aplicação do campo eletromagnético, ao usar o
celular, ouvir rádio, assistir tv, acessar a internet dentre outros.
O aluno está imerso nos campos eletromagnéticos e de tanto ouvir sobre os
mesmos, formou um conhecimento prévio deste assunto, o que leva aos conceitos
denominados espontâneos acerca destes. Para Ausubel(1982), o conhecimento
prévio é a variável que mais influencia a aprendizagem significativa, o conhecimento
prévio do aluno é que prepara terreno para a introdução do conhecimento que se
pretende ensinar (MOREIRA, 2004).
Ao apresentar o conceito de eletromagnetismo no curso de engenharia,
constatou-se uma grande dificuldade quanto à aprendizagem do conceito de campo
eletromagnético e uma forte incidência dos conceitos espontâneos. Segundo
Zylbersztajn (1983), no trabalho realizado com estudantes de engenharia nos
Estados Unidos, alunos ingleses dentre outros; mostrou-se que independente da
política educacional e grau de escolaridade, estas concepções são inerentes ao ser
humano, sendo necessário que os professores façam emergir pelos próprios alunos
essas concepções e através das mesmas possamos ensinar.
Com o exponencial aumento do número de alunos nos cursos de engenharia
e o significativo avanço tecnológico advindo destes conceitos, faz-se necessária
pesquisa sobre o ensino de eletromagnetismo para esta demanda, pois é
fundamental na formação desses alunos em qualquer área da engenharia.
Neste sentido o objetivo deste trabalho, é apresentar um estudo de caso acerca dos
conceitos de eletromagnetismo, tendo como ênfase o conceito de campo
eletromagnético contextualizando com as aplicações destes conceitos na
comunicação. Para o mesmo foi feita uma pesquisa qualitativa, trabalhada com a
139
metodologia de análise. O estudo inicia-se com a descrição da Bobina de Tesla,
segue com a explanação sobre o questionário aplicado, e uma discussão dos
resultado, culminando com as apresentações da conclusão, o que possibilita ao
docente uma reflexão quanto ao ensino dos conceitos de eletromagnetismo.
II DESENVOLVIMENTO DO ESTUDO
2.1 Apresentação da “ferramenta” de tomada de dados
Utilizou-se como ferramenta para ilustrar os conceitos de campos
eletromagnéticos, o aparato experimental desenvolvido por Tesla intitulado a Bobina
de Tesla. A Bobina de Tesla (BT) (Figura 1), como o próprio nome sugere, foi
construída pelo físico e engenheiro Iuguslávio radicado nos Estados Unidos, Nicolas
Teslas. Os efeitos produzidos pelas altas voltagens geradas pela BT são uma das
mais espetaculares ilustrações em Física. Pode-se encontrar detalhes da construção
e funcionamento em ( CHUIQUITO;LANCELOTTI,2000).
A Bobina de Tesla é um transformador que possibilita aumentar a tensão para
milhares de volts. Quando ligada cria ao seu redor um campo eletromagnético e
descargas no terminal superior da bobina formando pequenos raios (efeito corona).
Figura 1: apresentação da bobina de tesla aos alunos participantes da pesquisa. Fonte: dados da
pesquisa
140
Antes de aplicarmos o questionário, os alunos participaram da demonstração
do funcionamento da Bobina de Tesla. Segura-se uma lâmpada a uma distância de
um metro (1m) (Figura 2), observa-se que esta acende, aumenta-se a distância para
dois metros (2m), observa-se que a intensidade do brilho diminui. Aumentando a
distancia para três metros (3m) ou mais, a lâmpada não emite brilho.
Figura 2: Bobina de Tesla funcionando, à direita o aluno segura a lâmpada fluorescente, essa emite luz, devido ao campo eletromagnético criado pela BT. Fonte: dados da pesquisa.
Seguindo, aplicou-se um questionário dissertativo (questões presentes no
tópico 2.2.1). Foram distribuídas para 30 alunos de Engenharia Elétrica, 20 de
Ciência da Computação e 103 de Engenharia Civil, no total de 153 alunos, todos
cursando o quarto período. Os alunos responderam individualmente os questionários
de forma a não inferir nas respostas dos demais, foi salientado que as questões não
seriam avaliadas.
Partindo do pressuposto de que os alunos já cursaram o ensino médio,
espera-se respostas na sua maioria dentro dos parâmetros científicos, com pouca
influência das concepções espontâneas, pois esses já cursaram o ensino de física.
Espera-se também de uma porcentagem:
A não definição de campo;
Uma confusão entre os conceitos de campo elétrico e magnético; na definição
e associação;
A não definição científica de campo eletromagnético;
A influência da lei de Coulomb nas respostas ao item 5.
141
As expressões “porque não tem mais campo magnético” ou “está fora do
campo elétrico” são esperadas. Espera-se também uma correlação entre o
funcionamento dos celulares (antena de geração com a bobina e lâmpada com o
celular), conceitos muito discutidos no dia-dia do aluno, quando um telefone está
fora da área de cobertura, o aluno constata que não há torres de transmissão por
perto; assim como o experimento observado remete à relação distância e
funcionamento, mais uma vez as concepções formadas no dia a dia afloram.
Pesquisas mostram que alunos no ensino superior ainda apresentam
dificuldades em compreender os conceitos de campo elétrico e magnético devido
aos conceitos abstratos neles envolvidos (MAGALHAES, SANTOS e DIAS, 2002),
neste contexto pretende-se, com as respostas, obter dados que possibilitem interferir
no planejamento de futuras aulas.
2.2 Análise dos conhecimentos dos alunos.
Após uma prévia análise das respostas, concluímos a importância de
categorizá-las em subrespostas devido à diversificação das mesmas. Para uma
melhor análise, separamos as aplicações em uma coluna à parte.
2.2.1 Respostas às questões aplicadas aos alunos da Engenharia Elétrica, Civil
e Computação, no total de 153 alunos.
Questões aplicadas (As respostas seguem na tabela-1):
O que é campo?
Como funciona o campo elétrico? A que você associa?
Como funciona o campo magnético? A que você associa?
O que é campo eletromagnético? A que você associa?
Porque a lâmpada acende perto e apaga ao se distanciar da bobina?
Existe alguma relação entre o experimento observado com o sistema de
comunicação do telefone, radio ou TV? Por favor, explique.
142
Tabela 1: Computação das respostas ao questionário e observações;
Número de
alunos
Questão Observações
65 01 Área de influência da carga elétrica/magnética
49 01 Área ou espaço onde acontece algo/local onde acontece
movimentos
36 01 Área ao redor de determinado objeto
03 01 Outras definições sem lógica
Número de
alunos
Questão Observações
68 02 Área ao redor de um condutor /Relacionaram com área de
movimento dos elétrons, associaram a equipamentos elétricos
31 02 Criada por uma fonte geradora de energia/ associa a descarga
elétrica
23 02 Não sabem definir
21 02 Sem definição coerente
Número de
alunos
Questão Observações
54 03 Ação do magnetismo/associam a imã
26 03 Campo gerado por atividade elétrica/associaram a
equipamentos elétricos
17 03 Atração de algum tipo de material/associaram a imã e
materiais magnéticos
56 03 Não foi possível classificar devido a variedades de respostas
desconexas
Número de
alunos
Questão Observações
96 04 Junção dos dois campos/ associaram ao rádio ao experimento
observado
14 04 Sem definição/Alcance de um sinal
143
25
04 Local com presença de cargas/associam a equipamentos
elétricos
18
04 Não souberam
Número de
alunos
Questão Observações
29
05
Está dentro do alcance/está fora do alcance da eletricidade
11
05
Está dentro do alcance/está fora do alcance do campo
magnético
09
05 Alcance ou não do campo elétrico/ corrente elétrica
35 05 Devido à presença do campo eletromagnético
79 05 Relacionaram ao fato da lâmpada estar dentro, ou fora da área
de atuação dos campos, elétricos, magnéticos e
eletromagnéticos
Número de
alunos
Questão Observações
75 06 Sim, emitem sinal a distância, funciona com campo
eletromagnético
/relacionam o fato de a lâmpada apagar com o celular estar
fora da área de cobertura
36 06 Sim, pois o sistema de comunicação tem campo elétrico e
magnético
13 06 Sim, sem explicação
19 06 Impossível de classificar (sim pois absorvem energia do
elétron)
144
Ao analisar as respostas observa-se que, para o aluno, o termo Campo está
ligado a uma área ou espaço onde ocorre algo, porém 65 dos 153 entrevistados
demonstraram dificuldades nas definições de campo, associando a definição ao
campo elétrico.
Nas respostas para o campo elétrico percebe-se uma confusão, entre criação
do campo elétrico e campo magnético, entre as 153 respostas analisadas, em 68
dessas, os alunos correlacionam o fenômeno observado, com a área próxima ao
movimento de elétrons ou a condutores elétricos. De acordo com Silvo; Garcia
(2009) em todos os textos analisados para o ensino de eletromagnetismo, a
natureza do campo elétrico não é esclarecido e isto talvez seja o grande complicador
na compreensão física desse conceito. Dos entrevistados, 31 associam campo
elétrico com descargas elétricas. Das 153 respostas obtivemos 21 sem coerência;
por exemplo: “elétron em movimento ao redor da partícula”, “movimento de certa
rede de elétrons e isolante de corrente elétrica”.
Assim como na questão campo elétrico, ao ser questionado sobre o campo
magnético, o aluno relacionou a atividade elétrica associada a equipamentos
elétricos. Vale ressaltar que não houve uma quantidade significativa de respostas
coerentes; por exemplo: “não correlacionaram o movimento da carga elétrica com a
criação do campo magnético, e sim à diversas atividades elétricas como raio e
equipamentos elétricos”, e também em muitas das respostas associam a imãs e
ferro.
O item quatro (04), o que é campo eletromagnético e a que se associa,
demonstram a presença dos conceitos espontâneos em noventa e seis (96)
respostas;por exemplo: definiram campo eletromagnético como a junção dos
campos elétrico e magnético, porém os mesmos alunos não conseguiram dar uma
definição exata de campo magnético e campo elétrico. Cento e dez (110) respostas
relacionaram campo eletromagnético com rádio, sinal de celular e com o
experimento observado.
Setenta e nove (79) dos alunos entrevistados, relacionaram o brilho da
lâmpada, ao fato de estar perto ou longe da Bobina de Tesla, segundo os mesmos
dentro e fora da área de atuação dos campos elétrico, magnéticos e
eletromagnéticos.
Sobre a existência de alguma relação entre o experimento observado (lâmpada e
bobina de tesla), setenta e cinco (75) de cento e... citaram as ondas
145
eletromagnéticas como relação existente entre o funcionamento da Bobina de Tesla
e sistema de comunicação.
Observa-se no tocante às questões analisadas, uma dificuldade na definição
de campo e uma confusão entre a compreensão dos campos magnéticos e elétricos
o que pode ser observado na amostra do questionário (Figura 3)
Figura 3: Amostra das respostas dos alunos. Fonte: dados da pesquisa.
Esses resultados mostram que o ensino dos conceitos de campo elétrico e
magnético requer um tratamento mais elaborado do que os feitos na maioria dos
livros-texto convencionais (MAGALHÃES,2002).
146
III CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente estudo fez uma análise quanto aos conceitos de campo
eletromagnético no ensino de engenharia. O objetivo proposto foi alcançado, pois
evidenciou que, mesmo alunos na graduação, estão imersos em “conceitos
errôneos” e concepções espontâneas Vigotsky (2007) mostra que existem relações
claras entre os conceitos formais e não formais e que as estruturas formadas nas
concepções espontâneas ou pré-concepções (mesmos imperfeitas e fragmentadas)
servem de alicerce para uma construção do conhecimento científico mais rápida e
eficiente.
Os resultados vão de encontro à constatação de Magalhães (2002) o qual
evidencia que muitos alunos do Ensino Superior ainda apresentam dificuldades em
lidar com os conceitos de campo elétrico e campo magnético, devido à abstração
neles envolvida; esses conceitos, embora presentes no dia a dia, estão fora do
nosso domínio concreto. Pode-se concluir que, ao estudar os conceitos científicos
não os substituímos totalmente no lugar das concepções espontâneas, pois estando
inseridas em nosso contexto social, estas nos seguirão enquanto vivermos, porém é
necessário sabermos inferir e utilizá-las como “ferramentas” no ensino.
O presente estudo possibilitou ponderar sobre a forma de abordar tais
conceitos acima discutidos em sala, culminando numa maior objetividade das aulas.
147
APÊNDICE F- FUNDAMENTOS DE ANTENAS
As antenas são dispositivos essenciais aos equipamentos de áudio e
telecomunicação, esta é um dispositivos que transforma a energia das ondas
eletromagnéticas, guiando-as por meio das linhas de transmissão, ou seja,
captando-as e conduzindo-as até o dispositivo eletrônico. Segundo Nascimento
(2000) a forma e tamanho são elementos fundamentais nas antenas, esse
comprimento corresponde ao comprimento de ondas que elas recebem.
Segundo o mesmo autor, as antenas são monopolo e dipolo, a Bobina de Tesla
classifica-se como antenas monopolo, similar a Figura 1.
Figura 1: antena monopolo. Fonte: (NETTO, 2012)
Segundo Furtado (2013) a antena dipolar consiste de duas peças longas de
tubo de arame ou metal, que formam uma linha reta, mas não ligadas uma à outra,
que contribuirá para um par de fios que conduzem a um receptor de rádio (Figura 2).
148
Figura 2: tipos de antena dipolo. Fonte: (NETTO, 2012)
Um monopolo é semelhante a um dipolo mas substitui um condutor, usando o
plano de terra para um dos dipolo de peças. Essas antenas são móveis e usadas em
veículos, em telefones portáteis, rádios de bolso e walk-talkies.
![Revista Tesla[1] Copy](https://img.document.onl/doc/110x75/55cf9875550346d03397c921/revista-tesla1-copy.jpg)
