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DISPOSITIVO ELETRÔNICO SEMICONDUTOR LED: UMA ABORDAGEM BASEADA EM UNIDADE DE ENSINO POTENCIALMENTE SIGNIFICATIVA
Sebastião Carlos do Espirito Santo
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação (Mestrado Profissional) no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.
Orientador(es): Prof. Dr. Marcelo Oliveira da Costa Pires
Santo André Agosto de 2017
ii
Sistema de Bibliotecas da Universidade Federal do ABC Elaborada pelo Sistema de Geração de Ficha Catalográfica da UFABC
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).
Espirito Santo, Sebastião Carlos do
DISPOSITIVO ELETRÔNICO SEMICONDUTOR LED: UMA ABORDAGEM BASEADA EM UNIDADE DE ENSINO POTENCIALMENTE SIGNIFICATIVA / Sebastião Carlos do Espirito Santo. — 2017.
164 fls. : il. Orientador: Prof. Dr. Marcelo Oliveira da Costa Pires Dissertação (Mestrado) — Universidade Federal do ABC, Mestrado
Nacional Profissional em Ensino de Física - MNPEF, Santo André, 2017. 1. UEPS. 2. Semicondutores. 3. Ensino de Física. 4. LED. I. Costa Pires,
Prof. Dr. Marcelo Oliveira da. II. Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física - MNPEF, 2017. III. Título.
iii
iv
v
Dedico esta dissertação a todos que estiveram presentes e me apoiaram nestes momentos de dedicação, à minha família, em especial aos meus pais e ao meu professor orientador e amigo.
vi
Agradecimentos Em especial ao Prof. Dr. Marcelo Oliveira da Costa Pires, meu
orientador, por me acompanhar com tal disposição e paciência nos conselhos
prestados durante a elaboração deste trabalho. Além de ser uma pessoa com
um coração generoso, de me orientar e incentivar não só academicamente mas
profissionalmente e em todos os momentos.
Ao coordenador do curso neste polo o Prof. Dr. José Kenichi Mizukoshi e
os professores Lucio Campos Costa, José Antônio Souza, Pedro Galli
Mercadante, Giselle Watanabe, Nelson Studart Filho, Laura Paulucci
Marinho, Ronei Miotto, Leticie Mendonça Ferreira e Marcelo Oliveira da Costa
Pires (orientador) pelos conhecimentos e experiências profissionais
transmitidas nas aulas.
Aos colegas da turma de 2014 do MNPF do Polo de Santo André, pelo
compartilhamento de experiências e do companheirismo e apoio nos
momentos de dificuldade.
À CAPES pelo apoio financeiro por meio da bolsa concedida, facilitando
concretizar este sonho.
À SBF pelo projeto possibilitando a capacitação de professores a nível
nacional contribuindo, para que hajam aulas e materiais que contribuam no
Ensino de Física.
À UFABC por apoiar este projeto junto à SBF, cedendo o espaço físico e
disponibilizando docentes para este projeto.
À Equipe de Coordenação do colégio Liceu Coração de Jesus, na figura
do coordenador Prof. Fábio Aurélio de Moraes.
Aos meus alunos que colaboram para a concretização do produto e do
sucesso das aulas.
À minha família que me incentivou, apoiou e ajudou na realização deste
Mestrado Profissional, minha esposa, filhos e em especial aos meus pais Pedro
e Zélia que sempre me incentivaram valorizando os estudos.
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RESUMO Dispositivo eletrônico semicondutor LED: uma abordagem baseada em unidade
de ensino potencialmente significativa
Nome do Mestrando
Orientador(es): Prof. Dr. Marcelo Oliveira da Costa Pires
Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação Universidade Federal do ABC no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.
Estudantes tem em seu cotidiano o convívio com dispositivos eletrônicos
que em seus interiores possuem semicondutores. A compreensão de seu
funcionamento depende de um conhecimento, mesmo que superficial em
Física Moderna. Porém o conhecimento desses estudantes sobre o assunto,
não é pleno, tornando o saber acrítico sobre o tema, devido à falta de
informação sobre o assunto abordado seja no Ensino Básico. Propomos uma
sequência didática para levar o conhecimento de Física Moderna necessária
para explicar o comportamento de materiais semicondutores e,
consequentemente, o funcionamento do LED. Dentre as várias metodologias,
escolhemos a Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS).
Baseada na teoria da aprendizagem de Ausubel que leva em consideração os
conhecimentos prévios que o aluno possui, além de procurar fornecer um
significado relevante sobre a importância do assunto abordado. Na proposta da
UEPS privilegiamos o uso da metodologia de Sala de Aula Invertida onde o
docente oferece ao aluno condições para um estudo fora da sala de aula.
Dessa forma a proposta estabelece que o aluno tenha o seu próprio ritmo de
aprendizado, e que o tempo em sala de aula possa ser utilizado para o
aprofundamento dos assuntos abordados. Esperamos com isso, ascender o
espirito investigativo no aluno. Esse produto educacional pode ser aplicado
com alunos do 2° ou 3° EM (segundo ou terceiro ano do ensino médio), desde
que já tenham conhecimentos básicos em eletricidade como corrente e
resistência elétrica, tensão e circuitos. Aplicamos esse produto em uma turma
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do 3° ano do E.M. e a avaliação mostrou-se a eficácia da UEPS. Espera-se que
esta proposta possa preencher a falta de material instrucional para o professor
que deseja trabalhar de forma inovadora sobre o tema.
Palavras-chave: Ensino de Física, unidade de ensino potencialmente
significativa, dispositivos eletrônicos.
Santo André Agosto 2017
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ABSTRACT
LED electronic semiconductor device: a potentially meaningful unit-based
approach
Sebastião Carlos do Espirito Santo
Advisor: Prof. Dr. Marcelo Oliveira da Costa Pires
Abstract of master’s thesis submitted to Programa de Pós-Graduação Universidade Federal do ABC no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), in partial fulfillment of the requirements for the degree Mestre em Ensino de Física.
Dissertation of Master submitted to the Post Graduation
Program_Universidade federal do ABC in the Course of Professional Master in Teaching Physics, as a part of needed requirement for obtaining the title of Master in Teaching Physics
Students have in their daily life the conviviality with electronic devices in which interiors have semiconductors. The understanding of its functioning depends on an even superficial knowledge in Modern Physics. However, the students knowledge about this subject is not enough, making it an uncritical knowledge. We propose a didactic sequence to bring the knowledge of Modern Physics necessary to explain the behavior of semiconductor materials and, consequently, the functioning of the LED. Among several methodologies, we chose the Potentially Significant Teaching Unit (PSTU). Based on Ausubel's theory of learning that takes into account the previous knowledge the student bring to them , as well as seeking to provide a relevant meaning about the importance of the addressed issue. In the PSTU proposal, we favor the use of inverted classroom methodology where the teacher offers the student conditions for studying outside the classroom. In this way, we promote the students establish their own paces and the classroom space can be used to deepen the subjects addressed. We hope to increase the student's investigative spirit. This educational product can be applied to the 2nd or 3rd year students (second or third year of high school), as long as they already have basic knowledge of electricity such as current and electrical resistance, voltage and circuits. We applied this product to a third-year class from high school and the evaluation showed the effectiveness of the PSTU. It is hoped that this proposal will fill the lack of instructional material for the teacher who wishes to work innovatively on the subject.
Key words: Physics teaching, meaningful learning, electronic devices
Santo André
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August 2017
Sumário
Capítulo 1
Introdução e objetivo ........................................................................................................ 1
Capítulo 2
Descrição dos dispositivos eletrônicos ............................................................................. 4
2.1 Modelo macroscópico de condução ........................................................................... 4
2.2 Modelo de Drude ........................................................................................................ 6
2.3 Modelo de Banda ........................................................................................................ 9
Capítulo 3
Metodologia .................................................................................................................... 16
Capítulo 4
Descrição do produto ...................................................................................................... 19
Capítulo 5
Recursos utilizados nas aulas ......................................................................................... 26
5.1 Materiais utilizados para o desenvolvimento das aulas e de um texto potencialmente
significativo. ................................................................................................................... 26
5.2 Atividade de consolidação (simulação computacional) ........................................... 29
Capítulo 6
Aplicação do produto educacional em sala de aula ........................................................ 32
Capítulo 7
Avaliação do produto (Análise de Resultados) .............................................................. 50
7.1. Avaliação qualitativa ............................................................................................... 50
7.2. Avaliação quantitativa ............................................................................................. 72
Capítulo 8
xi
Conclusão e considerações finais ................................................................................... 83
Apêndice A
Material do aluno ............................................................................................................ 85
Apêndice B
Guia do professor ......................................................................................................... 124
Apêndice C
Artigo apresentado no SNEF ........................................................................................ 133
Apêndice D
Painel apresentado no SNEF ........................................................................................ 145
Apêndice E
Questões da avaliação somativa individual .................................................................. 147
Referências Bibliográficas ............................................................................................ 153
1
Capítulo 1
Introdução e objetivo
A inserção do tema “Física Moderna” no currículo do ensino médio já é previsto
e incentivado desde a promulgação dos Parâmetros Curriculares Nacionais para o
Ensino Médio (BRASIL, 2000 e BRASIL, 2002 - pág.19). Apesar disso, o excesso de
conteúdo curricular, a distância da Física Moderna na vida cotidiana e a má formação
profissional de alguns docentes (FILHO-2012) não facilitam a inserção do tema em sala
de aula.
O desafio em inserir o conteúdo de Física Moderna no ensino médio mostra-se,
por vez, difícil. Apesar disso, essa ação é necessária e essencial para a formação do
cidadão moderno, pois, em nosso mundo contemporâneo, existem fenômenos,
tecnologias e técnicas que precedem o conhecimento, mesmo que superficial, da Física
Moderna.
Em relação ao conteúdo de Física Moderna, as dificuldades são, qualidade do
material e o isolamento do tema em relação aos tópicos de física apresentados no ensino
médio (BRASIL, 2002, pág. 61). Em geral, o tema de Física Moderna é mostrado ao
aluno no final do 3º ano de maneira resumida e desconectada de seu cotidiano e dos
temas abordados anteriormente. Como exemplo, o princípio de incerteza de Heisenberg
é um dos tópicos de Física Moderna tratado no ensino médio cuja relevância para o
aluno está numa possível questão a ser feita quando estiver sendo avaliado por algum
vestibular. A conexão do princípio de incerteza de Heisenberg com os temas tratados
anteriormente está na cinemática contida no currículo do 1º ano.
Outro obstáculo para o ensino de Física Moderna é a falta de interesse do aluno
do ensino médio. Esse desinteresse começa na estrutura de apresentação onde destaca-se
o contexto histórico com a qual surgiu a física quântica. Ao apresentar o tema por esse
contexto, a física dos fenômenos quânticos descontextualizada da realidade do aluno.
Mesmo que o professor abandone o conteúdo histórico em sala de aula, ele terá muita
dificuldade em tratar o assunto por este estar distante dos temas por ele já abordados.
Não há a intenção de defender a ideia do utilitarismo da ciência. Entretanto, a
abstração necessária do aluno para entender o conteúdo de Física Moderna nos livros
atuais é desconexa com a realidade do aluno. Tamanho esforço poderia ser melhor
aproveitado descrevendo os dispositivos eletrônicos semicondutores, cuja essência de
funcionamento esteja na física quântica.
2
Em pleno século XXI, espera-se de um cidadão egresso do ensino médio a
desmistificação do funcionamento de dispositivos eletrônicos como o computador,
calculadora, microcontroladores, smartphones, flash drives, entre outros (SÃO PAULO-
2012).
A dificuldade em introduzir dispositivos eletrônicos é devido ao professor de
ensino médio sentir-se incapaz de inserir o tema, diante da grande quantidade de
conteúdos presentes na maioria dos currículos praticados (BRASIL, 2002, pág. 60). Esta
dificuldade é devida a imposição de conteúdos impostos pelas instituições de ensino ou
pelos vestibulares. Outro ponto a ser mencionado é a complexidade do principio físico
de funcionamento dos dispositivos semicondutores. A maioria dos professores não
tivera conhecimento suficiente de Física Moderna em seus respectivos cursos de
licenciatura. Essa falta de fluência sobre o assunto causa insegurança do professor em
sala de aula e, portanto, tais assuntos não são tratados nem de maneira superficial.
Com o objetivo de aproximar a Física Moderna ao cotidiano do aluno,
elaboramos um produto educacional, que trata o assunto em questão usando uma
aprendizagem significativa, sobre dispositivos eletrônicos semicondutores em especial o
LED. Esse produto consiste de uma UEPS auxiliada por simulações de diodo. A
aplicação deste produto é destinada aos alunos que já tiveram conhecimento de
transporte eletrônico e saibam diferenciar um material condutor e isolante.
O interesse do autor em desenvolver um produto que trata de um assunto
complexo de Física Moderna nasce no curso de Mecânica de Precisão da FATEC-SP
em 1993. Nesse período a formação em tecnólogo era muito valorizada no mercado de
trabalho da região metropolitana de São Paulo. Entretanto, questões mais profundas
sobre a natureza não podiam ser esclarecidas em um curso tecnológico. Então há uma
ruptura com o sistema e surge a possibilidade de entender melhor o universo que
cercava o autor fazendo um curso de complementação pedagógica em matemática pela
Anhembi Morumbi, e um curso de licenciatura em física pelo IF-USP. Devido a
problemas financeiros, o autor teve de adiar a conclusão da licenciatura para 2010.
Ao longo da graduação o autor teve interesse em aprofundar seus conhecimentos
em Física Moderna, porém nunca se esqueceu da importância da aplicação desses
conhecimentos no mundo real. Certamente esse modo prático de olhar a física veio dos
anos como graduando em mecânica de precisão. Graduado, o autor exerce a profissão
em uma escola estadual (Leonor quadros) e em outra particular (Terramar). Insatisfeito
com o material de física do ensino médio ao se tratar da Física Moderna, pois esse está
3
distante de quaisquer aplicações no cotidiano. Por fim o autor inicia o mestrado
profissional com o objetivo descrito nessa dissertação.
A maneira de como a dissertação é apresentada segue uma sequência usada na
elaboração do produto. Na elaboração do produto partimos de um objetivo, no qual
consta em contabilizamos todos os recursos necessários para gerarmos o produto
educacional. Esses recursos foram transformados por uma metodologia de ensino. O
resultado da transformação é o produto, i.e. a UEPS.
Esta sequência de ensino, apresenta no capitulo 1 a descrição do objetivo do
trabalho. No capitulo 2 são apresentadas as informações disponíveis em livros e sites
sobre dispositivos eletrônicos, destacando as diferenciações das variáveis
macroscópicas e microscópicas, afim de caracterizar os diversos dispositivos. A
transformação dessas informações são descritas no capitulo 3, onde diferimos a
metodologia da UEPS com o propósito de produzir o produto. O produto é descrito no
capítulo 4, logo os recursos utilizados são apresentados no capítulo 5, posteriormente
como um relato de sua aplicação constará no capítulo 6. No capítulo 7 temos uma
avaliação do produto (análise de resultados) e finalmente no capítulo 8 a conclusão
sobre o produto.
Nos anexos foram inclusos como material do produto, um guia (ou roteiro ou
material) para o professor de ensino médio aplicar a UEPS em sala de aula. Também há
nos anexos um material para o aluno (apostila), desenvolvido para esta sequência de
aulas trazendo uma linguagem mais simples para o aluno do Ensino Médio, Artigo e o
painel apresentado no SNEF XXII(2017), e as questões da avaliação somativa
individual Esses materiais seguem no apêndice da dissertação. Para o entendimento
completo do dispositivo de semicondutores fizemos uma revisão na literatura sobre o
tema que pode ser visto no capítulo 2.
4
Capítulo 2
Descrição dos dispositivos eletrônicos
O trabalho de um físico da matéria condensada consiste em explicar
propriedades macroscópicas dos materiais a partir da compreensão dos fenômenos
microscópicos que constitui o material. Um exemplo significativo em que isso ocorre é
a condutividade elétrica.
Em termos cognitivos de dispositivos eletrônicos, as conexões entre o mundo
macroscópico e microscópico podem haver incômodas discrepâncias. A fim de ponderar
essas diferenças, apresentamos três modelos de transporte eletrônico em meios
resistivos.
O primeiro modelo considera cargas livres possuindo uma velocidade. No
segundo essas cargas colidem com os átomos da rede cristalina e no último modelo
consideramos a mecânica quântica para especificar os tipos de materiais existentes na
natureza.
2.1 Modelo macroscópico de condução
Apresentamos a condutividade para os alunos de 2º ou 3º ano no contexto
macroscópico. No modelo macroscópico o sistema é tratado como objetos, como
baterias, fontes de alimentação, resistores, capacitores, transistores. Este modelo pode
ser caracterizado por variáveis macroscópicas, tais como carga, corrente e tensão para
caracterizá-lo. Assim, os objetos são especificados pelos parâmetros de resistência,
capacitância e indutância. Esses parâmetros são determinados pelas relações entre a
corrente elétrica que passa pelo objeto e a tensão aplicada nele.
Um exemplo em que se aplica o modelo macroscópico é a determinação da
resistência elétrica dos materiais. Para materiais ôhmicos há uma relação de
proporcionalidade entre a tensão aplicada e a corrente elétrica que passa por ele. Essa
relação conhecida como lei de Ohm, consta no currículo dos alunos do 2° e 3° ano do
E.M. e envolve tão somente parâmetros macroscópicos. Assim para materiais ôhmicos
segue a expressão que relaciona a diferença de potencial e a corrente elétrica (I) dada
por:
𝛥𝑉 = 𝑅. 𝐼
onde R é a resistência elétrica do material. Nessa expressão está contida uma relação de
causa e efeito. Um questionamento mais profundo se dá ao analisar a diferença de
5
resistência para diversos objetos de mesmo material. Objetos com seção transversal
maior apresenta uma menor resistência enquanto objetos mais compridos possui uma
resistência maior. Em laboratório, uma curva característica de 𝛥𝑉 × 𝐼 mostra essas
observações ao colocar os resistores em paralelo (a fim de observar o efeito devido ao
aumento da seção transversal) e em série (observar o efeito de ter resistores compridos).
Obter a resistência desejada pela alteração das dimensões do resistor é objeto de estudos
da engenharia. Observar e entender que, dado as mesmas dimensões, materiais
diferentes apresentam resistências diferentes é o papel do físico de matéria condensada.
Retirando os parâmetros de dimensão da resistência elétrica, vemos que a lei de
Ohm pode ser reescrita como: 𝑗 = 𝜎�⃗⃗�, onde a densidade de corrente (𝐽) é proporcional
ao campo elétrico externo e a constante de proporcionalidade é a condutividade que
depende das características do material e da temperatura.
As estruturas atômicas determinam as interações interatômicas. As interações
interatômicas proporciona a formação cristalina do material, e permite a existência de
elétrons livres nessa rede cristalina. As interações entre os elétrons livres e a rede
cristalina formada pelos núcleos atômicos determinam as propriedades físicas dos
sólidos como exemplo: propriedades de condução elétrica.
Na tabela 2.1 são apresentados alguns materiais que conduzem bem a
eletricidade, sendo que os materiais isolantes (dielétricos) são condutores pobres em
relação aos metais por um fator significativo de ordem maior que 1023
.
Material 1/σ, Ω m
Aluminio 2,65 x 10- 8
Cobre 1,67 x 10- 8
Ouro 2,35 x 10- 8
Ferro 9,71x 10- 8
Níquel 6,84 x 10- 8
Prata 1,59 x 10- 8
Mercúrio 95,8 x 10- 8
Tungstênio 5,51 x 10- 8
Constantam (Cu 60, Ni 40) 49,0 x 10- 8
Nicromo 100,0 x 10- 8
Germânio (puro) 0,46
Germânio (5x10 - 6 % As) 0,011
Grafite 1,4 x 10- 5
Solução (saturada) de NaCl 0,044
óxido de alumínio 1 x 1014
6
Vidro 1010
– 1014
Iodo 1,3 x 107
Quartzo (SiO2) 1 x 1013
Enxofre 2 x 1015
Madeira 10 8 – 10
11
Tabela 2.1: Resistividade 1/σ de alguns materiais comuns a 20°C*.
*Dados do Handbook of Chemistry and Physics,58° edição. CRCPress, Inc., Cleveland, Ohio.
Pela tabela 2.1, podemos identificar três grupos de materiais classificados
segundo suas resistividades. No primeiro grupo temos no primeiro grupo temos os
condutores cuja resistividade é da ordem de 10 –8
Ω.m. No segundo, temos os materiais
isolantes que são condutores pobres em relação ao primeiro grupo por um fator
significativo maior que 10 15.
Entre esses dois grupos, encontram-se materiais cuja
classificação não pode ser feita.
2.2 Modelo de Drude
O segundo modelo é explicitamente reducionista e nós referimos como o modelo
de Drude. Nesse modelo microscópico o material é tratado como composto de íons e
elétrons livres clássicos. Em geral o modelo é apresentado aos estudantes com
representação na figura 2.1.
Figura 2.1: Esboço do fluxo de portadores de cargas na ação de um campo elétrico correspondente ao 1°
modelo da lei de Ohm.
Os portadores de carga são conceituados como partículas livres movendo-se com
uma velocidade de direcção particular, como mostrado na Figura 2.1. Com convenções
de sinais adequados, a corrente é definida como a taxa na qual uma carga flui através de
alguma área seccional. Em seguida, ou às vezes simultaneamente, apresenta-se aos
alunos a descrição do movimento aleatório dos elétrons e como os desvios de elétrons
na presença de um campo elétrico (por exemplo, descrita por a tensão do sistema). Ao
7
estudar a resistência e energia em circuitos simples, geralmente usa-se uma analogia
mecânica como o fluxo da água ou de bolinhas de gude encontrando obstáculos físicos.
Assim, os portadores de carga ganham ou perdem energia de uma fonte quando se
deparam com obstáculos. Ao longo desta fase de aprendizagem, os elétrons são
considerados como partículas livres exceto quando estão colidindo com a rede atômica.
Como veremos, a simples suposição de que há um tempo médio entre colisões, permite
obter a lei de Ohm. Em geral, os alunos são capazes de usar o modelo de Drude para
descrever o comportamento do elétron no material condutor e, a partir disso, entender
observações comuns, como o aumento da temperatura do material implica em vibrações
na estrutura atómica encurtando o livre caminho médio do elétron, criando mais
resistência ao movimento dos portadores.
Para a descrição desse modelo microscópico, podemos trazer o conhecimento do
que vem a ser a estrutura atômica das aulas de química. Nela, a estrutura constitui de um
núcleo onde concentra a massa e a carga positiva e uma eletrosfera na qual os elétrons
ocupam camadas. Essas camadas são posições numa tabela em que os elétrons ocupam.
De maneira mais profunda, esse resultado é o mais sublime da física quântica onde a
dualidade onda partícula faz com que o elétron ocupe um estado estacionário
caracterizado por 4 números quânticos, 3 referentes a onda estacionária espacial e 1
referente ao spin do elétron. Dado que o número quântico está relacionado à distância
média entre o elétron e o núcleo atômico, relacionamos os elétrons com maior número
quântico principal aos mais fáceis de serem desligados dos núcleos. Dessa forma, a
capacidade de ser condutor e isolante está na energia necessária para remover o elétron
mais energético do átomo. Quanto menor essa energia, mais fácil de termos o elétron
livre. Essa energia de ionização é derivada do equilíbrio entre a distância média dos
elétrons de valência e a intensidade do campo elétrico produzido pelo núcleo e blindado
pelos elétrons de números quânticos principais menores. Por esse ponto de vista,
substâncias puras são divididas em duas categorias regidos pela energia de ionização, os
metais de baixa energia de ionização e os não metais de alta energia.
Desse modo, o campo elétrico dentro do material faz com que os elétrons livres
sejam acelerados. Porém, esses elétrons colidem com os átomos do material de forma
aleatória. Esse movimento de aceleração e desaceleração devido às colisões impõe aos
elétrons perda de energia para os íons. Essa energia perdida compõe o fenômeno de
aquecimento da resistência quando submetida por alguma diferença de potencial.
Observando o fluxo médio dos elétrons que passam por uma seção transversal ao
8
material, chegaremos à conclusão de Ohm, que em média a diferença de potencial
aplicada é proporcional a corrente produzida. E essa constante de proporcionalidade
depende da geometria do resistor e do tipo de material e da temperatura.
Para analisar um modelo de transporte eletrônico baseado na intuição clássica,
vamos desenvolver o modelo de Drude proposto em 1900, três anos após a descoberta
do elétron por Thomson. Nesse modelo, os elétrons no material sólido se comportam
como um gás de partículas clássicas colidindo frequentemente com os íons da rede, ver
figura 2.2.
Figura 2.2: Modelo proposto por Drude.
No modelo de Drude são feitas três considerações.
A primeira consideração é de que a probabilidade de um elétron sofrer uma
colisão em um intervalo Δt de tempo é dada simplesmente por 𝛥𝑡 𝜏⁄ onde 𝜏 é o tempo
de relaxação, ou um tempo médio entre duas colisões. As colisões são, portanto eventos
não correlacionados. Após colidir o elétron segue em linha reta como uma partícula
livre não importando a interação dele com outro elétron. Sua nova velocidade tem
direção aleatória e módulo aleatório, cuja distribuição é definida pela temperatura
ambiente.
Por ter uma massa menor que os íons, a aplicação de um campo externo faz
movimentar esses elétrons livres que, por sua vez, tornam-se portadores de carga. Ao
movimentarem-se devida a força externa aplicada, os elétrons colidem frequentemente
com os íons que formam o material.
Assim o momento linear médio dos elétrons pode ser alterado por uma força
externa ou por colisões com os íons. Ao considerar os elétrons que não sofreram
colisão, a variação de momento linear é proporcional à força externa aplicada,
�⃗�(𝑡 + 𝛥𝑡) = �⃗�(𝑡) + �⃗�(𝑡)𝛥𝑡, → �⃗�(𝑡 + 𝛥𝑡) − �⃗�(𝑡) = �⃗�(𝑡)𝛥𝑡
9
Como a probabilidade de não ocorrer a colisão é de (1 − 𝑑𝑡 𝜏⁄ ) vemos que, em média a
variação de momento linear é devido à força externa e minimizada pela colisão:
⟨𝑝(𝑡 + 𝛥𝑡)⟩ − ⟨�⃗�(𝑡)⟩ = �⃗�(𝑡)𝛥𝑡 − ⟨�⃗�(𝑡)⟩ 𝛥𝑡 𝜏⁄ ,
isso permite encontrar a equação,
𝑑�⃗�
𝑑𝑡= �⃗� −
�⃗�
𝜏,
onde, para facilitar a notação abandonamos os colchetes para identificar médias.
No caso de uma força externa sendo produzida por um campo elétrico constante,
temos:
�⃗� = −𝑒�⃗⃗�.
A equação de movimento é dada por:
𝑑�⃗�
𝑑𝑡= −𝑒�⃗⃗� −
�⃗�
𝜏. No caso estacionário onde a aceleração é nula vemos �⃗� =
−𝑒𝜏
𝑚�⃗⃗�, onde
�⃗� = �⃗� 𝑚⁄ é a velocidade média dos elétrons conhecida como velocidade de arraste.
A densidade de corrente é proporcional à velocidade de arraste, 𝑗 = −𝑛𝑒�⃗� onde
n é a densidade de elétrons.
Com isso, obtemos a lei de Ohm a partir de argumentos sobre o movimento
microscópico dos elétrons,
𝑗 = 𝜎𝐷�⃗⃗�,
Onde, 𝜎𝐷é a condutividade de Drude.
O tempo de relaxação pode ser obtido conhecendo o espaçamento da rede, ou o
livre caminho médio e a velocidade média dos elétrons. Assim, o tempo de relaxação
pode ser escrito como 𝜏 =𝜆
𝑣𝑚. A separação entre dois íons é da ordem de 10−8 cm e a
velocidade média entre colisões é função da temperatura dada por 𝑣𝑚 = √3𝑘𝐵 𝑇 𝑚⁄ o
que dá aproximadamente centena de milhares de metros por segundo para uma
temperatura ambiente. Assim o tempo de relaxação é da ordem de 10−14𝑠. A
diminuição do tempo de relaxação conforme aumentamos a temperatura, faz
compreendermos as razões do aumento da resistividade com a temperatura.
2.3 Modelo de Banda
O terceiro e mais sofisticado modelo requer uma compreensão da estrutura de
bandas e da maioria das propriedades da matéria. Chamamos esse modelo de modelo de
estrutura de banda. Neste modelo o carácter quântico do sistema é uma componente
10
essencial. Os elétrons de condução individuais são geralmente deslocalizados e as
propriedades gerais de materiais, tais como a concentração de cargas, desempenham um
papel fundamental na descrição macroscópica de transporte. Os elétrons são descritos
como partículas que se movem dentro de uma banda ou entre as bandas, como
apresentado na Figura 2.3.
Figura 2.3: Transição de elétrons dentro de um material semicondutor.
O transporte eletrônico entre as bandas de energia de um material.
Ao aplicar um campo elétrico E, elétrons na banda de valência absorvem energia necessária pra pular
para a banda de condução, nessa banda o elétron se movimenta contrário ao campo elétrico. A lacuna
deixada pelo elétron na banda de valência move-se na direção do campo elétrico. Esse movimento
representa o transporte eletrônico do material.
O movimento de elétrons entre bandas é um conceito abstrato com diferenças
sutís do modelo retratado por Drude onde os elétrons movem-se de uma forma
puramente clássica. A condução ocorre pela polarização em um par de estados quântico
fazendo com que os elétrons sigam em uma direção e buracos sigam em outra. O
movimento é levado a um estado de equilíbrio por interações com os fônons (troca de
energia com a rede de íons), nesse processo interpreta-se o papel das colisões iônicas no
modelo de Drude.
A base do modelo de banda está nas possibilidades em que o elétron no material
possa estar. O termo estar é de difícil compreensão para os alunos cujo entendimento
dos fenômenos físicos passam pelos sentidos. É natural para eles dizerem se o objeto
está parado ou está em movimento. Mas o conceito de estar em mecânica quântica
11
impõe possibilidades da partícula ter uma determinada energia. Como exemplo em um
poço de potencial unidimensional, dizer que a partícula está no estado de menor energia
implica em, tomando como media a energia da partícula, um valor constante quando
medimos o valor da energia da partícula. Salientamos que isso não implica em dizer que
ela está em repouso, pois pelo princípio de incerteza de Heisenberg há a possibilidade
de ela ter uma velocidade diferente de zero. A representação da partícula em mecânica
quântica é considerá-la em uma função de onda. Essa função de onda pode ser
expandida em uma base de funções ortonormais. Em especial, a função de onda pode
ser expandida numa base de funções que satisfaçam a equação de Schrödinger
independente do tempo. O módulo ao quadrado das projeções que a função de onda faz
nessa base de funções corresponde à probabilidade de encontrar a partícula com a
energia correspondente ao elemento da base de função.
Do ponto de vista da posição da partícula, o quadrado da função de onda fornece
a probabilidade de encontrar a partícula numa determinada posição. O exemplo mais
prático do que venha a ser um estado quântico é o do oscilador harmônico. Uma
partícula que esteja submetida a uma força de restauração pode ter seu estado com
energias quantizadas.
Segundo o princípio de incerteza de Heisenberg, a condição de confinamento de
uma partícula implica em uma redução da incerteza da sua posição em detrimento de
um aumento da incerteza da sua velocidade. Por tanto, há uma sensação de dicotomia da
medida da energia do sistema, pois esse apresenta como a menor energia possível algo
positivo e diferente de zero visto que sua velocidade não pode ser exatamente nula.
Outro ponto interessante da partícula confinada é a existência de uma lacuna entre as
energias possíveis devido à quantização dos estados possíveis em que a partícula possa
estar. Num oscilador harmônico, vemos que a diferença de duas energias consecutiva e
possíveis para a partícula é proporcional à frequência de oscilação.
Em um poço de potencial harmônico duplo, dois potenciais de osciladores
harmônicos se sobrepõem para formar um único oscilador. Denotando pela letra E o
poço da esquerda e pela letra D o direito, podemos procurar como será o estado de
menor energia da partícula sob a ação desse potencial (ver gráfico 2.1).
12
Gráfico: 2.1 O poço de potencial duplo unidimensional simétrico, na horizontal indica a
posição espacial ao longo de um eixo e na vertical a intensidade do potencial. O lado esquerdo é
indicado com a letra "E" e o lado direito com a letra "D".
Caso os dois osciladores estiverem muito afastados um do outro, veremos como
função de onda do estado fundamental a soma das duas ondas, tanto da esquerda quanto
da direita. A energia seria a soma da energia da esquerda e da direita. Uma combinação
anti-simétrica, i. e. uma subtração dos das duas funções de onda seria também solução
do estado de menor energia. Nessa condição, o estado fundamental apresenta uma
degenerescência, cabendo duas possibilidades. Quando os potenciais se aproximam,
temos uma quebra de degenerescência, pois o estado que corresponde à soma tem uma
energia ligeiramente menor que a combinação da subtração das funções de onda. Não
somente há a quebra de degenerescência do estado fundamental, mas haverá uma
quebra em todos os estados excitados devido à aproximação dos potenciais. Em uma
rede linear de vários osciladores harmônicos teremos a quebra de degenerescência em
torno dos níveis energéticos antes da aproximação, formando em torno da excitação um
conjunto de N níveis energéticos correspondendo aos N osciladores que foram
colocados muito próximos um do outro. Chamamos bandas permitidas o adensamento
de níveis de energia permitido nesse sistema, e bandas proibidas ou Gap de energia
regiões onde não há nível de energia eletrônica.
Grosso modo associamos o posicionamento dos cátions em uma rede cristalina a
potenciais ligantes próximos um ao outro. Dessa proximidade vemos a formação de
bandas e lacunas de energia para elétrons que estejam sob a ação desse potencial. O
estado fundamental dessa rede cristalina neutra requer que os elétrons ocupem os
estados quânticos de mais baixa energia possível. Em um primeiro momento, teríamos a
ocupação de todos os elétrons no estado fundamental. Porém, ao considerarmos o
13
princípio de exclusão de Pauli, segundo o qual não é permitido a dois ou mais elétrons
ocuparem o mesmo estado quântico, os elétrons devem ser distribuídos nos possíveis
níveis energéticos. Ao cabo de preencher os possíveis estados, temos três condições que
geram grandes diferenças nas características de transporte eletrônico do material. Em
uma situação, o material cristalino neutro não tem a banda completa. Nesse caso,
qualquer campo elétrico externo ao material introduz energia suficiente para que os
elétrons no estado mais energéticos ocupem estados que sejam combinações de estados
próximos aos níveis mais energéticos. Como consequência, o material passa a ter uma
densidade de corrente não nula de elétrons. Esse material possui, portanto, a
característica de ser bom condutor elétrico. Em outra situação, há a ocupação completa
de uma banda de energia. Caso isso ocorra, mesmo que haja um campo elétrico externo
este não será suficiente para fazer com que o elétron ocupe um estado que seja uma
combinação linear de dois estados. O resultado é um material em que não há o
transporte eletrônico. Esse material é, portanto, isolante. Finalmente, podemos analisar
uma situação peculiar. Há materiais que apresentam a banda mais energética ocupada.
Porém, a lacuna é pequena o suficiente para que, na presença de um campo elétrico, o
elétron ocupe um estado que seja uma combinação linear de dois estados e possa ser
transportado. Para tal, é necessário que a vacância deixada pelo elétron quando este
ocupar um estado de maior energia, também esteja em um estado de combinação linear.
O semicondutor exibe, portanto, um comportamento intermediário entre um
condutor e um isolante quando submetido a um campo elétrico, de forma que os valores
de resistividade elétrica se encontram compreendidos entre os valores característicos de
bons condutores e isolantes.
Elemento Gap Resistividade a 20°C,
ohm.cm
C (diamante) 6,0 >106
Si 1,0 6x104
Ge 0,7 50
Sn (cinzento) 0,08 <1
Tabela 2.2: Energia da lacuna e a resistividade de materiais semicondutores.
14
A condutividade do material pode ser aumentada pela adição de imperfeições na
estrutura cristalina do material. Como exemplo, analisemos o silício. O átomo de silício
neutro e isolado possui 4 elétrons de valência (os quatro pertencentes ao nível 3s e 3p)
fazendo com que ele pertença à família do carbono. A estrutura cristalina do Si é
produzida pela hibridização dos níveis eletrônicos dos elétrons de valência. A estrutura
eletrônica do estado hibridizado tem regiões onde os elétrons estão mais presente. Essas
regiões ocupam o vértice de um tetraedro. A estrutura cristalina do silício apresenta
ligações covalentes desses elétrons de valência cuja ocupação se dá dois a dois em cada
estado hibridizado e degenerado. Essa formação geométrica tem como resultado uma
estrutura cúbica semelhante a do diamante. Ao adicionar alumínio na estrutura
cristalina do silício puro, tem-se átomos espalhados de alumínio e esse deixa um vazio
eletrônico, devido a estrutura eletrônica do alumínio conter um elétron de valência a
menos em relação ao silício. Os elétrons excedentes podem se mover para essa posição
de vazio quando o material for submetido a um campo elétrico externo. Ao ocupar esse
vazio o elétron adjacente deixará para trás um vazio que andará na direção do eletrodo
negativo. Dessa forma, o movimento desse vazio eletrônico é equivalente ao movimento
de uma carga positiva e origina uma semi-condução do tipo “p”.
Essa condução extrínseca que ocorre devido à presença de imperfeições
eletrônicas pode também ser do tipo “n”. Para tal, ao invés de ter como impurezas o
alumínio, pode-se introduzir como impureza o fósforo, cujo quinto elétron de valência
não é compartilhado em uma ligação covalente de baixa energia. Dessa maneira, apenas
uma pequena energia adicional é necessária para deslocar esse elétron tendo, por fim,
um transporte de carga negativa.
O modo com que inserimos essas impurezas é conhecido como dopar o material
puro. No caso do silício a técnica mais usada para dopar é a de pulverização catódica.
Numa placa de silício puro são depositados átomos, vindo de colisões de argônio com a
superfície metálica. Essa deposição pode ser controlada e tem como resultado a
dopagem do silício puro.
Com essa técnica de deposição de átomos que produzam um condutor tipo p e
outro átomo que produza o do tipo n, e com o uso de litografia para delimitar uma
região na superfície do silício a ser dopada, é possível fazer com que essas duas regiões
dopadas com materiais diferentes sejam separadas por uma interface. O resultado é uma
junção p-n como um retificador diodo, cuja curva característica de corrente X tensão é
assimétrica.
15
Gráfico 2.2: Corrente vs tensão em uma junção p-n.
Em um condutor linear a razão entre a diferença de potencial e a corrente elétrica
é constante e igual à resistência do material. Porém muitos semicondutores apresentam
características não lineares. Na figura 2.2 vemos o comportamento não linear de um
diodo. Observa-se que existe uma resistência muito grande quando a tensão é positiva,
porém para tensões negativas o material se torna condutor.
As aplicações do diodo são vastas. Dentre as possíveis aplicações, nosso
produto educacional trabalha com o diodo emissor de luz (LED). A junção p-n de um
diodo promove o encontro de duas bandas eletrônicas de diferentes níveis. Ao promover
uma corrente da região dopada n para a região p, o elétron perde energia. Essa perda de
energia devido à aplicação de uma diferença de potencial faz com que, na região de
interface, ocorra a emissão de uma radiação de energia equivalente à perda energética
do elétron. Na perda de energia, não há necessariamente uma radiação térmica, pois nas
bandas existem energias quantizadas, tão pouco monocromáticas, pois as radiações são
provenientes de uma corrente de difusão eletrônica admitindo, portanto uma
distribuição de velocidades desses elétrons que passam pela junção p-n. Dessa maneira
a radiação proveniente da corrente elétrica que passa por essa junção p-n tem como
espectro uma distribuição centrada na frequência correspondente, à diferença de energia
das bandas e com uma largura correspondendo ao efeito Doppler das possíveis
velocidades dos elétrons que passam pela junção.
16
Capítulo 3
Metodologia
A metodologia aplicada nesse produto é baseada na Teoria da Aprendizagem
Significativa de Ausubel (MOREIRA, 2015). Nessa teoria Ausubel defende que a
aprendizagem é realizada sob um processo que envolve a nova informação a ser
aprendida pelo aluno, e sua estrutura cognitiva estabelecida previamente. De acordo
com Ausubel, a aprendizagem ocorre quando a nova informação conecta-se à estrutura
do aluno, fazendo com que a informação faça sentido para ele e que tenha um peso
significativo ao seu mundo.
Para promover uma aprendizagem significativa é necessário conhecer as
informações prévias do indivíduo sobre o assunto e utilizar esse conhecimento como
ponto de partida para um novo conhecimento. Após discriminar esse conhecimento, é
papel importante do professor identificar pontos onde ocorrerão as conexões do
conhecimento estabelecido dos alunos com a nova informação a ser aprendida. Com
esses pontos de conexão identificados, são construídos através de materiais
introdutórios elos entre o conhecimento prévio e a nova informação. Segundo Ausubel,
o contato dessas duas informações geram conflitos cognitivos que produzem
modificações tanto no entendimento da nova quanto da antiga informação. Apesar do
processo estar na construção do próprio conhecimento pelo aluno, a tarefa do professor
na aprendizagem significativa é, através da identificação dos pontos de ancoragem entre
as duas informações, promover a aprendizagem levando ao aluno um significado ao
novo conhecimento.
Utilizando-se da teoria de aprendizagem de Ausubel, MOREIRA (2016) propõe
um procedimento de sequências de aula para promover uma aprendizagem significativa.
Esse modelo é conhecido como Unidades de Ensino Potencialmente Significativas
(UEPS).
Os princípios propostos na UEPS são fundamentados na construção de um
planejamento cujo destaque está na aprendizagem significativa. Para o desenvolvimento
da UEPS é necessário a diferenciação progressiva, a reconciliação integradora, a
organização sequencial e a consolidação em sua organização de ensino.
Nosso objetivo é produzir uma unidade de estudo potencialmente significativa
onde o tema dispositivos semicondutores seja introduzido como um importante aspecto,
17
tanto no quesito científico e tecnológico, quanto no social, das aplicações da física
moderna em especial da mecânica quântica.
Construímos a UEPS com o tema de Dispositivos Eletrônicos Semicondutores
(DES) contemplando vários conceitos a serem trabalhados pelo método. A UEPS
desenvolvida envolveu os seguintes passos descritos (MOREIRA, 2016).
Em nosso programa instrucional, teremos como metodologia cinco tarefas
consistentes com a facilitação da aprendizagem significativa. São eles:
1. identificar o conhecimento prévio referente ao assunto de transporte eletrônico e
constituição de materiais no estado sólido;
2. identificar os conceitos, as proposições e as ideias claras sobre o tema relevante
à aprendizagem do conteúdo de transporte eletrônico em materiais semicondutores;
3. diagnosticar, mapear e organizar o conhecimento prévio disponível na estrutura
cognitiva do aluno;
4. ensinar usando os princípios de uma Unidade de Ensino Potencialmente
Significativa (UEPS) e concomitante a Sala de Aula Invertida, sendo um método
apropriado para facilitar a aquisição da estrutura conceitual. Nesta proposta acredita-se
que o papel do professor será de instigar a investigação, assim como também auxiliar o
aluno a assimilar o tema e organizar sua própria estrutura cognitiva;
5. mensurar a organização cognitiva sobre o tema através de avaliações
diferenciadas sobre a clareza, a estabilidade e o domínio do tema.
Além das cinco tarefas consistentes à facilitação da aprendizagem significativa
citadas à cima, em determinadas aulas ocorrerão indícios de uma “Sala de Aula
Invertida” (BERGMANN e SAMS, 2016). Um dos vieses de conceito de sala de aula
invertida consiste em “o que tradicionalmente é feito em sala de aula, agora é
executado em casa, e o que tradicionalmente é feito como trabalho de casa, agora é
realizado em sala de aula.” (BERGMANN e SAMS, 2016 – pág. 11). A introdução de
formação de conceitos, se assim pode-se dizer, foi feita com a utilização de artigos,
sites, vídeos e outros recursos, como uma atividade de casa. Em sala de aula promoveu-
se momentos de reflexão e discussão sobre os assuntos pesquisados e estudados, além
de esclarecimentos de dúvidas. A ideia é que o professor passe de expositor de
conteúdos para orientador (e mediador) da aprendizagem, pois há vários recursos
tecnológicos e métodos que possibilitam os alunos a encontrarem soluções e respostas
para as questões e problemas propostos, mantendo o objetivo de uma aprendizagem
significativa.
18
O motivo pelo qual há a intenção de se trabalhar a sala de aula invertida é com o
propósito de sair do tradicional, visando despertar no aluno o interesse pelo assunto,
realizando atividades de modo diferenciado como é proposto nas sequências de aulas.
19
Capítulo 4
Descrição do produto
O produto educacional constitui-se de uma UEPS auxiliada por um texto sobre
o assunto para o aluno. No apêndice A tem-se um texto auxiliar para o aluno, e no
apêndice B tem-se um guia para o professor aplicar o produto para uma turma do 2° ou
3º ano do Ensino Médio.
A UEPS foi elaborada a fim de realizar as cinco tarefas descritas no capítulo 3
pág. 17. Dessa maneira, são constituintes da UEPS as seguintes etapas:
1. Situação inicial:
Inicia-se a UEPS construindo com os alunos aspectos relevantes sobre o LED,
tais como: utilidade, aplicação, emprego de suas potencialidades, vantagens sobre
outros dispositivos e funcionamento. Primeiramente, fazem-se junto aos alunos,
associações livres sobre o LED e sua aplicação. Nesse momento o professor pede aos
alunos que falem tudo o que sabem sobre o LED. A partir da palavra LED colocada no
quadro branco, cada aluno levanta e escreve informações ou conhecimento que ele
possua pertinentes ao dispositivo em questão. O professor no papel de mediador
estimula os alunos a elaborar um diagrama sobre o assunto de forma hierárquica. Ao
final, tem-se na lousa um mapa mental sobre o assunto feito exclusivamente pelos
alunos. Neste primeiro momento, o professor observa e analisa as associações feitas
pelos alunos, assim como suas representações e associações de seus conhecimentos a
partir da palavra chave LED ou de sua imagem. Essas associações permitem ao
professor estabelecer relações da Física com o LED e entrar em contato com o
conhecimento informal do aluno sobre o LED. A atividade ocupará uma (1) aula.
2. Situação problemas iniciais:
Com base na aula invertida os alunos irão em busca de conhecimentos e
compreensões dos princípios físicos para o funcionamento de dispositivos eletrônicos,
trazendo para a aula conceitos pré-formados. Nas discussões em sala serão esclarecidas
as dúvidas existentes, e resolvidos os assuntos mal compreendidos durante a pesquisa e
consequentemente um melhor aprofundamento do assunto.
Neste momento é proposta uma atividade, onde grupos de aproximadamente
cinco (5) alunos têm como tarefa realizar uma pesquisa buscando informações
relevantes sobre as seguintes questões:
20
a) Quais tipos de lâmpadas existentes? Qual lâmpada consome menos energia
elétrica?
b) Cite o principio de funcionamento das seguintes lâmpadas: incandescente,
fluorescente e de LED.
c) Aspectos positivos e negativos das seguintes lâmpadas: incandescente,
fluorescente e de LED.
e) O que faz um LED emitir cores diferentes e quais são estas cores?
f) Qual a melhor TV, LCD, Plasma ou LED?
g) Qual TV consome menos energia?
h) Onde encontramos outras aplicações do LED em nosso cotidiano?
O resultado da pesquisa que os alunos fizeram para responder o questionário é
apresentado por cada grupo para a sala toda. O papel do professor é de mediar e guiar as
discussões sobre o assunto apresentado. Dessa maneira, o professor gera
curiosidades sobre o assunto, além de ouvir a opinião geral identificando os conceitos
prévios dos grupos. Essa atitude permite que o professor oriente os alunos a buscarem
informações em fontes confiáveis.
Após a apresentação e discussão sobre a pesquisa feita, os alunos são orientados
a elaborar um mapa conceitual sobre o LED. Não necessariamente os grupos devem
elaborar um mapa conceitual nos moldes proposto em [MOREIRA, 2012]. Contudo é
esperado e instruído que os grupos elaborem um mapa conceitual trazendo informação
do tema de condução eletrônica ministrado no inicio dos cursos do 2º ou 3º ano do
Ensino Médio.
O mapa conceitual/mental é mais um instrumento para obter informações sobre
os conhecimentos prévios dos alunos sobre o tema. Diferente das demais atividades
realizadas até então, o mapa permite pela primeira vez associar os conhecimentos
informais com a física de transporte eletrônico, aprendida no inicio do 2º ou 3º ano do
Ensino Médio.
Mapas conceituais têm por objetivo facilitar a aprendizagem significativa em
situação formal de ensino, presencial ou à distância, na avaliação da aprendizagem e na
análise conceitual da matéria de ensino. Com isso o uso dos mapas nos permite
organizar e representar graficamente, através de um esquema o conhecimento. De
maneira geral, mapas conceituais ou mapas de conceitos, são apresentados em formas
de diagramas indicando relações entre conceitos, ou entre palavras que usamos para
representar conceitos, tendo uma organização hierárquica.
21
Mapas conceituais não devem ser confundidos com organogramas ou diagramas
de fluxo, cuja organização não implica em uma sequência, temporalidade ou
direcionalidade, nem hierarquias organizacionais. Este instrumento não deve ser
confundido com mapas mentais que são livres, pois não se ocupam de relações entre
conceitos, e incluem coisas que não são conceitos e que não estão organizados
hierarquicamente.
O objetivo é que o mapa seja um instrumento capaz de evidenciar significados
atribuídos a conceitos e relações em um corpo de conhecimentos, de uma disciplina, de
uma determinada matéria de ensino. Enfim, esta ferramenta consiste em uma técnica
não tradicional de avaliação, visando buscar informações sobre significados e relações
entre conceitos-chave da matéria de ensino segundo o ponto de vista do aluno. O mapa
conceitual é a ferramenta mais apropriada para se realizar uma avaliação qualitativa,
formativa, da aprendizagem.
A atividade ocupará uma (1) aula e uma tarefa extraclasse.
3. Aprofundamento dos conhecimentos:
Nesse momento, o professor realiza duas aulas potencialmente significativas
sobre transporte eletrônico em materiais condutores, isolantes e semicondutores, bem
como junções, os dispositivos semicondutores, o LED e o comparativo sobre a
eficiência do LED. O professor ministrará essas aulas seguindo os princípios
facilitadores da teoria de Ausubel. Esses princípios são: diferenciação progressiva,
reconciliação integradora, organização sequencial e consolidação. Baseado nesses
princípios, as aulas ocorrerão através de quatro momentos. O primeiro será a
diferenciação progressiva, onde serão retomados os conhecimentos prévios dos alunos
em relação ao tema, atribuindo a esses conceitos definições mais específicas e formais
sobre o transporte eletrônico. Segundo, a reconciliação será feita em um movimento
oposto, no qual os conhecimentos formais sobre o tema serão relacionados com os
conhecimentos prévios sobre o assunto. Terceiro, a organização sequencial será um
fator importante para sequenciar os tópicos de maneira mais coerente possível
(observados os princípios da diferenciação progressiva e da reconciliação integrativa)
com as relações de dependência naturalmente existentes na matéria de ensino. Quarto e
último, a consolidação ocorrerá quando o aluno relacionar seus conhecimentos prévios
com os apresentados, demonstrando um domínio sobre o assunto tratado, resolvendo
22
problemas exercícios e até mesmo fazendo comparações. Os recursos utilizados para
este aprofundamento de conhecimento é apresentado no capítulo 5.
O material está organizado de forma que as relações de dependência ocorram de
forma natural, para que o aluno possa formar uma organização sequencial evolutiva e
significativa.
A diferenciação progressiva ocorrerá na caracterização de materiais condutores e
isolantes. Posteriormente será apresentada a discriminação de um material
semicondutor, apontando pontos similares e diferentes em relação a condutores e
isolantes, procurando sempre chegar a uma reconciliação integradora. Com a
apresentação sequencial dos conteúdos sobre materiais semicondutores intrínsecos e
extrínsecos, seguidos das diferenciações entre os tipos de dopagens existentes para os
extrínsecos. Espera-se uma reconciliação integradora seguida de uma organização
sequencial quando for apresentada a junção p-n, obtendo uma consolidação do assunto
ao compreender o funcionamento deste dispositivo eletrônico.
No momento seguinte é apresentado como ocorre a emissão de luz, diante do
modelo atômico de Bohr, baseados em seus postulados, e seguido por um breve
histórico de modelos atômicos. Sendo este o ponto em que ocorre a diferenciação
progressiva, seguida da reconciliação integradora com a organização sequencial
individual ao apresentar os níveis de energia de um elétron num átomo de hidrogênio e
como ocorrem as transições eletrônicas.
O próximo item a ser apresentado é o funcionamento do Led. Neste ponto deve
ocorrer a reconciliação integradora com a organização sequencial pelo aluno diante dos
conteúdos vistos até o momento, seguido da consolidação ao relacionar os materiais
semicondutores e as possíveis transições eletrônicas dos elétrons, ao receber ou emitir
energia.
Com a descrição de lâmpadas incandescentes e fluorescentes, há intenção de
induzir o aluno a ser capaz de compreender, comparar e diferenciar as eficiências e
economias de cada tipo de lâmpada. Consolidando o aprendizado, com chargers sobre o
assunto, assim como exercícios resolvidos e propostos.
No final desse momento de consolidação do conteúdo apresentado, é proposto
uma tarefa extraclasse na qual os grupos terão de fazer uma simulação computacional
do PHET (PHET, 2016) sobre o transporte eletrônico em um semicondutor contendo
uma junção p-n.
23
O grupo de alunos irá entrar no site de simulação computacional do PHET
(https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/legacy/semiconductor), baixar o
simulador e instalá-lo. Orientação esta que será passada em sala de aula com o auxilio
do professor. Maiores detalhes desta atividade são apresentados na seção 5.2. A
atividade ocupará duas (2) aulas, e terá uma tarefa extraclasse.
4. Nova situação problema, em nível mais alto de complexidade:
Inicia-se esta situação com um debate sobre a tarefa de simular a junção P-N [no
PHET, 20016] realizada extraclasse na etapa 3. Após essa discussão mediada pelo
professor, segue uma nova atividade de pesquisa para os grupos. O professor apresenta
o seguinte questionário a ser respondido primeiramente em classe e, posteriormente,
extraclasse.
a) O que é um material condutor, isolante e semicondutor?
b) O que é dopagem? Quais são os tipos de dopagem?
c) O que é um diodo, de que consiste um diodo?
d) Qual o princípio de funcionamento de um diodo e qual sua utilidade?
e) Como um elétron pode produzir luz?
f) Qual o princípio de funcionamento do LED?
g) O que faz um LED emitir cores diferentes e quais são estas cores?
h) Quais são as aplicações de um LED atualmente?
Esse questionário foi elaborado de forma a diagnosticar, mapear e organizar os
conteúdos vistos no aprofundamento dos conhecimentos e na simulação. Ao responder
o questionário, espera-se que o aluno conecte a experiência da atividade 3 com a
utilização de materiais semicondutores em dispositivos eletrônicos.
Na aula de entrega da atividade acima será promovido um momento de debate
entre grupos, sobre as informações relevantes e pertinentes ao assunto estudado. Esse
momento faz com que o professor mensure a eficiência das atividades anteriores para
uma compreensão do tema. Além de homogeneizar o conhecimento formal sobre o
assunto, pois os alunos que possuem dificuldades em responder o questionário terão
uma oportunidade de sentirem-se confiantes em responder. A atividade ocupará duas (1)
aulas, e terá uma tarefa extraclasse.
24
5. Avaliação somativa individual:
Com o objetivo de verificar se realmente ocorreu um aprendizado aplica-se uma
avaliação, esta denominada de somativa. Nesta avaliação são inclusos conteúdos
relevantes e objetivos mais amplos do período de instrução. Neste caso fornecendo
feedback ao aluno, e comparações entre os diferentes métodos e materiais de ensino
[MENEZES e SANTOS, 2001].
Neste momento realiza-se uma atividade individual envolvendo os conceitos
apresentados nas atividades anteriores. A atividade dessa etapa consiste de um
questionário, em que as questões devem ter como resposta algo que expresse a
compreensão do aluno e que indiquem uma aprendizagem. (Questões inclusas no
apêndice E).
Essas questões trabalhadas foram disponibilizadas na internet através da
plataforma Google Forms no seguinte endereço,
https://goo.gl/forms/6ZFslDkI1fAClNev1, 2016. Por tanto, essa atividade pode ser feita
em casa ou na sala de aula, desde que o colégio disponha de recursos tecnológicos para
que se possa acessar a internet.
Essa tarefa é um instrumento para uma avaliação somativa que permite uma
análise do ensino com o objetivo de identificar uma aprendizagem. A atividade ocupará
uma (1) aula ou uma tarefa extraclasse.
6. Aula final e avaliação da aprendizagem na UEPS em sala de aula:
Neste momento há uma revisão do tópico por duas abordagens. A primeira
abordagem é calcada nos aspectos procedimentais do conteúdo destacando dedução de
fórmulas, estratégias de compreensão e de resolução de exercícios. A segunda
abordagem está na utilização dos dispositivos no cotidiano do aluno.
Esta revisão de conteúdo é baseada na análise sobre todos os questionários e
mapas conceituais construídos ao longo do processo de aprendizado. Para tanto, é
necessário realizar comentários e discussões sobre a evolução do aprendizado do aluno.
Por fim, se for o caso, realiza-se uma avaliação oral (ou escrita) para os alunos que não
atingiram o objetivo do aprendizado significativo.
As análises dos mapas, das atividades e das avaliações permite ao professor
identificar ausência de uma aprendizagem. Caso seja constatada essa ausência, o
professor deve retornar ao assunto de forma individual procurando atender de forma
eficaz a compreensão do tema abordado.
25
Finaliza-se a atividade refazendo algumas questões referentes às atividades 1 e
3.
As questões propostas para essa quarta atividade são:
Atividade 1 – b) Cite o principio de funcionamento das seguintes lâmpadas:
incandescente, fluorescente e de LED.
Atividade 1 – e) O que faz um LED emitir cores diferentes?
Atividade 3 – a) O que é um material condutor, isolante e semicondutor?
Atividade 3 – b) O que é dopagem? Quais são os tipos de dopagem?
Atividade 3 – c) O que é um diodo? De que consiste um diodo?
Atividade 3 – e) Como um elétron pode produzir luz?
Atividade 3 – f) Qual o princípio de funcionamento do LED?
A análise é feita comparando as respostas anteriores com as posteriores a fim de
identificar uma aprendizagem significativa. A atividade ocupará uma (1) aula.
7. Avaliação da UEPS:
A avaliação deve ser feita pelo professor através de uma análise qualitativa
partindo dos resultados obtidos durante a aprendizagem. A análise da aprendizagem será
dada pela evolução dos mapas conceituais, das respostas das questões das atividades e
das avaliações individuais realizadas durante o processo de aprendizagem, e da
observação feita pelos alunos sobre a avaliação da UEPS a ser realizada como atividade
extraclasse.
A UEPS proposta é realizada em 7 aulas.
26
Capítulo 5
Recursos utilizados nas aulas
Neste capitulo serão apresentados os recursos que foram utilizados para se obter
uma aula potencialmente significativa. Recursos estes que são provenientes de artigos,
teses de mestrado, apostilas e livros de cursos técnicos, vídeo aulas e simuladores,
sempre buscando recursos alternativos para o aprendizado.
5.1 Materiais utilizados para o desenvolvimento das
aulas e de um texto potencialmente significativo.
O professor realizará essa aula potencialmente significativa utilizando-se dos
princípios facilitadores comentados anteriormente, onde o conceito formal sobre os
tipos de transporte serão colocados de forma lógica, seguido de um material que seja
significativo com o cotidiano do aluno, desenvolvido pelo professor (Apêndice - A),
utilizando-se de materiais tradicionais sobre o assunto, tais como: notas de aula de
cursos de graduação (ROLIM, 2001 - MACEDO, 2012 e WENDLING, 2009) e
apostilas de cursos técnicos superiores (UNIOESTE, 2016). Como uma
complementação e reafirmação do assunto abordado, serão disponibilizadas para o
aluno uma apresentação em multimídia (TIMÓTEO, 2013), três vídeos aulas
(INSTITUTO MONITOR, 2016 e UNIVESIDADE DE GRANADA, 2016) e uma
simulação (PHET, 2016).
i) Textos:
Os textos utilizados para a produção do material do aluno são os seguintes:
- ROLIM, Jacqueline Gisèle. Notas de aula da disciplina Materiais Elétricos.
Capítulo 7. Oferecida para os cursos de Engenharia Elétrica e Engenharia de Produção
Elétrica – 2001. Disponível em: <http://www.labspot.ufsc.br/~jackie/matelet.html>
Acessado em 27/08/2016.
A utilização do material oferecido para os cursos de Engenharia Elétrica e
Engenharia de Produção Elétrica pela professora Rollin tem por objetivo apresentar o
conceito de materiais semicondutores, assim como sua importância nos cursos
mencionados.
- MACEDO, Valquiria Gusmão. Notas de aula da disciplina MATERIAIS
ELÉTRICOS 1. Capítulo 7. UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ – INSTITUTO
27
DE TECNOLOGIA – FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA – 2012.
Disponível em:
<http://www.laps.ufpa.br/valquiria/Materiais%20Eletricos/capituloVII.pdf> Acessado
em 27/08/2016.
Estas notas de aula da professora Macedo, assim como da Rolin, são utilizados
em uma disciplina para o curso de Engenharia Elétrica, mas com um diferencial ao lidar
com os semicondutores, apresentando não só suas propriedades, mas também
exemplificando os tipos de diodos existentes.
- WENDLING, Marcelo. Semicondutores- Apostila. UNESP – Colégio técnico
industrial de Guaratinguetá Prof. Carlos Augusto Patrício Amorim – 2009. Disponível
em:
<http://www.feg.unesp.br/~jmarcelo/restrito/arquivos_downloads/apostilas/eb2/semicon
dut_v1.pdf> Acessado em 27/08/2016.
Esta apostila utilizada pelo professor Wendling, traz para o aluno que deseja um
maior aprofundamento sobre os conceitos de materiais semicondutores, desde a
constituição química, propriedades térmicas e até limites de operação do Diodo, além
dos conceitos já vistos nos materiais das professoras Rolin e Macedo.
- UNIOESTE. Apostila de Materiais Elétricos, Capítulo 15 - Materiais
semicondutores. Campus de Foz do Iguaçu. Disponível em:
<http://www.foz.unioeste.br/~lamat/downmateriais.html> Acessado em 27/08/2016.
Nesta apostila da UNIOESTE o diferencial se dá por conta de comentar sobre as
técnicas de fabricação de semicondutores.
- TIMÓTEO, Luis F.M. Semicondutores: Junção p-n. Publicada em 01/08/2013.
Disponível em: <http://pt.slideshare.net/MarioTimotius/semicondutores-juno-pn-
24835671> Acessado em 27/08/2016.
O professor Timóteo nos trás uma apresentação de forma digital, onde há
animações sobre como é a estrutura interna de um material semicondutor, apresentando
desde o átomo quântico até o transporte eletrônico de cargas elétricas nas junções p-n.
Apesar de termos na internet uma grande quantidade de materiais sobre o
assunto, tais materiais não atendem o nosso propósito, pois em geral são destinados a
28
alunos do ensino superior, trazendo uma complexidade na linguagem que dificulta a
comunicação com o aluno do ensino médio. O ensino de física moderna para alunos do
ensino médio tem de ser claro e objetivo, não envolvendo conceitos físicos e
matemáticos complexos [BRASIL, 2000 - pág. 23]. Um fator relevante sobre o material
encontrado na internet é que o mesmo não é apropriado para os propósitos da UEPS,
pelo fato de não serem escritos para alunos do ensino médio regular.
Diante de tamanha distância entre os objetivos da UEPS e do material
encontrado na internet, produzimos um material destinado ao aluno do Ensino Médio
que tenha como tema o LED e suas aplicações [Apêndice A].
O material desenvolvido seguirá os princípios facilitadores da teoria de Ausubel
(apresentado na página 27).
ii) Vídeos:
Vídeos de apoio sugeridos:
- INSTITUTO MONITOR. Eletrônica Aplicada – Semicondutores. Disponível
em: <https://www.youtube.com/watch?v=6Bflv4HNfd8>, Eletrônica Aplicada - Diodos
Retificadores. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=UxmR8Vx_fPw> e
Eletrônica Aplicada - Diodos Emissor de Luz LED. Disponível em:
<https://www.youtube.com/watch?v=2yEQXp791U8> Acesso em 27/08/2016.
- UNIVESIDADE DE GRANADA. EL LED - ¿Cómo funciona el led? - Spanish
version (español). Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=N73txERy5Fs>
Acesso em 27/08/2016.
Os vídeos sugeridos (INSTITUTO MONITOR, 2016 e UNIVESIDADE DE
GRANADA, 2016) tem o objetivo de propor ao aluno que ele escolha o melhor
momento para o seu aprendizado. Os vídeos propostos aqui sugerem que o aluno veja o
assunto em casa, tornando as aulas mais produtivas, promovendo maiores momentos de
diálogos com esclarecimento de dúvidas e resolução de exercícios com a mediação do
professor. Sendo que neste momento o professor poderá observar como está ou se está
ocorrendo o processo de ensino-aprendizado (consolidação do aprendizado).
Deve haver uma cautela por parte do docente na utilização dos materiais, pois
eles apresentam conceitos matemáticos de nível superior, em que os alunos não
possuem conhecimento por estarem no Ensino Médio. A intervenção docente na
orientação de utilização do material é de extrema importância para que os alunos se
29
atentem apenas a aspectos relevantes dos materiais semicondutores, sem que haja um
aprofundamento mais detalhado, provocando desestímulo ao se depararem com
equações matemáticas não conhecidas por eles. Os textos originais estarão disponíveis
para os alunos, caso eles queiram ter contato, ou um maior aprofundamento sobre o
assunto. Um dos objetivos da utilização destes textos é de proporcionar ao aluno um
contato com os textos originais, e de apresentar a aplicação prática do conhecimento nos
cursos superiores.
5.2 Atividade de consolidação (simulação computacional) A simulação utilizada é constituída de uma representação diagramada do
transporte eletrônico em um meio semicondutor. O material semicondutor é
representado por uma faixa de coloração lilás no circuito (ver figura 5.1) e os elétrons,
portadores de cargas negativas, são representados por bolinhas azuis. Como parte da
diagramação do semicondutor, uma ponta de prova leva a um diagrama quântico de
energia do material na qual os elétrons possam ocupar. Os níveis são dispostos de tal
maneira que haja uma região no diagrama cujos níveis estão próximos formando uma
banda de energia, separadas por uma lacuna com energias inacessíveis aos elétrons. Pelo
princípio de Pauli, a ocupação do estado de menor energia se dá dois a dois dos níveis
mais baixos. No caso de um material isolante e semicondutor em temperatura nula, os
elétrons preenchem a banda de energia de maneira que para excitar um elétron deve-se
fornecer uma energia mínima correspondente ao tamanho da lacuna. Ao ligar o material
(dispositivo eletrônico) a uma bateria e variando a tensão aplicada, os elétrons podem
adquirir energia suficiente para ocupar níveis maiores e, com isso, serem transportados
através do material. Numa primeira etapa da simulação pode-se verificar a tensão
mínima na qual é possível excitar os elétrons e promover a condutividade no material.
Na simulação sugerida, usaremos a opção de ter dois semicondutores ligados por uma
junção. Nessa simulação é possível transformar essas regiões em semicondutores
dopados atribuindo essa condição. Ao dopar as regiões vemos mudanças do diagrama
de energia. Para a região com dopagem tipo N, os elétrons excedentes ocupam um nível
na região da lacuna. Para o tipo P, os elétrons faltantes deixam de ocupar um nível na
banda de energia. Ao ligar a junção na bateria com uma tensão baixa, vemos que a
polaridade da bateria é fator crucial para o transporte eletrônico. Há corrente elétrica se
houver a polarização direta onde o lado P da junção seja ligado com o lado positivo da
30
bateria e não haverá corrente caso tenhamos uma polarização inversa. Esse fenômeno é
representado no diagrama pela possibilidade ou impossibilidade dos elétrons fazerem
um salto quântico na interface da junção. O funcionamento do LED é explicitado no
mecanismo dos saltos quânticos que os elétrons possam fazer. Ao executar um salto de
um nível energético para um nível de menor energia, é emitido um fóton cuja energia é
da altura do salto.
Figura 5.1: Simulação sobre condutividade em materiais semicondutores.
Baseado nessa simulação, sugerimos o seguinte roteiro/questionário para
orientá-los nessa atividade.
a) Selecione o segmento 1 e, em seguida, faça uma dopagem Tipo N (bolinhas de
cor verde) no semicondutor (retângulo de cor lilás). Click nas esferas verdes e arraste
até o retângulo lilás. Em seguida inicie a simulação aumentando a tensão aos poucos.
Observe e explique o que ocorre.
b) Posteriormente atribua uma tensão negativa e explique o que ocorre.
c) Repita o procedimento dos itens “a” e “b” com dopagem Tipo P e explique o que
ocorre.
d) Selecione o segmento 2. Em seguida faça uma dopagem Tipo N nos dois campos
disponíveis do semicondutor e inicie a simulação e vá aumentando a tensão aos poucos.
Explique o que ocorre.
31
e) Atribua uma tensão negativa e explique o que ocorre.
f) Selecione o segmento 2. Em seguida faça uma dopagem Tipo P nos dois campos
disponíveis do semicondutor e inicie a simulação e vá aumentando a tensão aos poucos.
Explique o que ocorre.
g) Atribua uma tensão negativa e explique o que ocorre.
h) Selecione o segmento 2. Em seguida faça uma dopagem Tipo P no primeiro
campos e Tipo N no segundo campo disponíveis do semicondutor e inicie a simulação e
vá aumentando a tensão aos poucos. Explique o que ocorre.
i) Atribua uma tensão negativa e explique o que ocorre.
j) Selecione o segmento 2. Em seguida faça uma dopagem Tipo N no primeiro
campos e Tipo P no segundo campo disponíveis do semicondutor e inicie a simulação e
vá aumentando a tensão aos poucos. Explique o que ocorre.
k) Atribua uma tensão negativa e explique o que ocorre.
A resposta a esse roteiro/questionário será entregue no início da próxima etapa e será
utilizada como fundamentação para a nova situação problema e para uma avaliação
qualitativa ao final da UEPS. A atividade ocupará duas (2) aulas e uma tarefa
extraclasse.
32
Capítulo 6
Aplicação do produto educacional em sala de aula
A sequência de aulas proposta foi aplicada em uma turma matutina do 3º ano do
Ensino Médio composta por 15 alunos do Colégio Liceu Coração de Jesus, localizado
no bairro dos CAMPOS ELÍSEOS - SÃO PAULO - SP. Sendo um colégio da rede
privada de ensino composta por alunos de classe média para alta, com faixa etária
compreendida entre 17 e 18 anos, não exercendo trabalho remunerativo concomitante
com o colégio. A aplicação do produto decorreu no terceiro trimestre de 2016, logo após
os alunos terem estudado conceitos de eletricidade e magnetismo.
O produto foi aplicado durante as aulas semanais de física entre as semanas dos
dias 20/09/2016 e 27/10/2016, como seguem na descrição abaixo.
20/09/2016
Discussão e elaboração de um mapa mental sobre "LED".
Após o professor colocar a palavra LED no quadro branco, foi proposto para que
os alunos colocassem aspectos relevantes sobre o LED, de maneira que fosse elaborado
um mapa mental sobre o assunto.
De forma tímida no início apenas um aluno se propôs a escrever no quadro,
sendo que alguns por timidez ou comodismo aproveitaram e pediram para que o
primeiro aluno colocasse suas ideias no quadro. Com a motivação e mediação do
professor mais alunos começaram a participar e irem até a lousa para acrescentar o que
tinham de conhecimento sobre LEDs. Houve momentos interessantes onde os alunos
discutiam qual seria a melhor palavra ou maneira de descrever ou de definir o que eles
queriam explicar. Tem-se como resultado desta atividade inicial a figura 6.1.
33
Figura 6.1: Mapa mental construído pelos alunos do 3° EM
34
Do mapa mental temos:
- associação do LED com aplicação em aparelhos;
- associação com qualidade, economia e durabilidade;
- sinais de conceitos físicos comentados sobre a baixa voltagem utilizada para o
funcionamento do LED, assim como sendo uma fonte elétrica e de luz.
Conclusão: os alunos não relacionaram diretamente o LED com algum
fenômeno físico. Não há interesse no funcionamento do LED.
Não demonstram conflitos, pois não são apresentadas outras possibilidades de
aplicação.
O conceito de LED para os alunos independe da física.
Neste mesmo dia foi proposto a "Atividade 1", que consiste em responder as
questões da página 31(Situação problemas iniciais) desta dissertação, em grupos
organizados com no máximo cinco (5) integrantes:
Após responderem ao questionário da “Atividade 1” cada grupo construiu um
mapa conceitual. Um exemplo do que os alunos fizeram são apresentadas nas figuras
6.2 à 6.6.
A atividade iniciou-se em sala de aula, pois o colégio disponibiliza de recursos
digitais (WI-FI) nas salas de aula, que possibilitam as pesquisas serem realizadas pelos
alunos através de materiais pessoais como tabletes, notebooks, smartfones e outros
mais.
O empenho e dedicação dos alunos ao realizar a pesquisa utilizando-se de
recursos eletrônicos, foram maiores do que se estivessem utilizando o tradicional livro,
tanto foi que para meu espanto e admiração dois grupos acabaram realizando a tarefa
extraclasse no mesmo dia e entregando para o professor.
35
Figura 6.2: Mapa mental construído pelos alunos do grupo Alpha
Grupo Alpha
36
Sobre o mapa conceitual do grupo Alpha tem-se:
- LED é um subgrupo de lâmpadas;
- classificam as lâmpadas segundo o processo físico envolvido no funcionamento;
- do LED aponta pontos positivos e negativos;
- nos pontos positivos é possível explicar a física;
- nos usos repetem os padrões anteriores;
Conclusão: as pesquisas realizadas pelos alunos na internet levaram, a encontrar
a Física por trás do LED, faltando apenas uma sistematização desse fenômeno.
37
Figura 6.3: Mapa mental construído pelos alunos do grupo Beta
Grupo Beta
38
Sobre o mapa conceitual do grupo Beta tem-se:
- O LED é o tema central do mapa;
- nele são conectados qualidades e usos;
- é possível conduzir os tópicos a uma aprendizagem dialógica fazendo confrontar o
saber comum com o fenômeno físico;
- a energia elétrica é confundida como fonte para eletricidade.
Conclusão: há menção de fenômenos físicos, mas é pouco explorado.
39
Figura 6.4: Mapa mental construído pelos alunos do grupo Gama
Grupo Gama
40
Sobre o mapa conceitual do grupo Gama tem-se:
- O LED é central no mapa;
- há várias menções sobre a aplicação do LED;
- não há comentários sobre a física, há somente uma pequena noção sobre o uso e a
economia do LED;
Conclusão: Não foi possível para o grupo extrair o funcionamento e a física por
trás do LED, realizando apenas uma pesquisa na internet.
41
Figura 6.5: Mapa mental construído pelos alunos do grupo Ômega
Grupo Ômega
42
Sobre o mapa conceitual do grupo Ômega tem-se:
- O LED é o tema central no mapa como nos grupos anteriores;
- há uma preocupação com a questão ambiental;
- de física há a observação de que não emite IV e UV;
Conclusão: muito pouca física no levantamento do assunto pela internet.
43
Figura 5.6: Mapa mental construído pelos alunos do grupo Teta
Grupo Teta
44
Sobre o mapa conceitual do grupo Teta tem-se:
- O LED continua sendo tema central do mapa;
- há uma separação dos temas de forma funcional;
- há uma pequena relação com a física ao falar do funcionamento.
Conclusão: pouca física apresentada após a pesquisa realizada na internet.
45
22/09/2016
O retorno sobre a “Atividade 1” foi feita diante das aulas sobre: condutores,
isolantes e semicondutores.
Nesta aula o professor utilizou-se dos recursos eletrônicos disponibilizados pelo
colégio além do material (material do aluno) escrito pelo próprio professor (vide
apêndice A). Os recursos digitais possibilitam um maior dinamismo na aula e um ótimo
recurso para uma consolidação do ensino, após apresentar diferenciações progressivas
através exemplos, seguido da reconciliação integradora e da organização sequencial. A
cada dúvida e discussão tanto o aluno como o professor, acessam a internet em busca de
exemplos e situações diferenciadas, obtendo-se uma consolidação do assunto estudado
isso consiste em uma aula invertida.
Neste mesmo dia houve uma pequena introdução a respeito de “Como ocorre a
emissão de luz”, falando e discutindo sobre os modelos atômicos.
A descrição feita pelos alunos sobre os modelos atômicos é orientada pela
química, afinal foi o maior contato que tiveram sobre o assunto. Sendo que em Física
tiveram, em eletrização uma ideia bem rudimentar de átomo estudando mais o
comportamento de um elétron isolado.
No término desta aula foi proposto como atividade pra casa a "Atividade 2", que
consiste em um Simulador sobre semicondutor. Ver item 5.2 na página 39 os detalhes
sobre a atividade.
27/09/2016
Continuando a aula passada “Como ocorre a emissão da luz”.
Devido a dificuldades de acesso ao endereço do simulador
(https://phet.colorado.edu/pt_BR/), disponibilizei esta aula e os auxiliei para que
realizassem a tarefa em sala de aula. Foi melhor desta forma, pois pude acompanhar e
tirar dúvidas sobre o que estava acontecendo durante a simulação. Trabalhando desta
forma pude observar os grupos trabalhando com uma participação mais efetiva. Como
proposto por BERGMANN e SAMS (2016), a atividade que era para casa acaba sendo
desenvolvida em sala de aula com o acompanhamento do professor.
Além dos grupos interagirem não só entre si, mas também externamente com os
outros grupos a respeito do que estava ocorrendo.
46
Novamente dois grupos demonstravam ser bem empenhados entregando a
atividade no fim da aula.
Ao término desta aula um aluno me surpreendeu ao pedir uma lista de
exercícios, sobre o tema abordado (os níveis de energia, energia de um fóton e da
energia necessária para o funcionamento de um Led). Outro aluno me questionou sobre
a possibilidade de fazer um projeto experimental que contivesse LEDs. Com estas
questões vejo que conseguimos despertar o interesse pelo tema abordado.
No término desta aula foi proposto como atividade pra casa a "Atividade 3", que
consiste em responder questões sobre materiais semicondutores, emissão de luz e LEDs.
29/09/2016
Diante dos questionamentos da ultima aula sobre experiências apresentei vídeos
na internet de como montar projetos simples (circuitos com apenas bateria resistor,
chave e LED) até os mais sofisticados (circuitos montados como auxilio de uma placa
de arduino). A sala ficou encantada com os projetos simples e seus efeitos, sejam estes
produzindo imagens com efeitos em 2D, e outros mais sofisticados em 3D.
Foi apresentado nesta aula um material de apoio, que consistiu na orientação de
vídeos sobre semicondutor, contidos no anexo do material do aluno.
04/10/2016
Aos pedidos ocorridos na aula passada, acabei trazendo uma lista de exercícios
onde pedi que resolvessem em sala de aula.
Os problemas propostos na lista de exercícios consistem em questões
dissertativas que tem como objetivo, fazer com que o aluno seja capaz de:
Determinar a energia que um determinado elétron deve possuir (absorver) para
que seja capaz de sair da banda de condução e ir para a banda de valência;
Compreender e calcular a energia necessária para que um elétron do átomo de
hidrogênio possa realizar transições entre as camadas. Absorção e emissão de
fóton;
Realizar associações sobre energia, comprimento de onda e frequência;
Calcular o valor da resistência elétrica para o correto funcionamento do Led, a
partir de uma determinada tensão.
47
Novamente foi muito produtivo. Diante de dúvidas e esclarecimentos em que
pude auxiliá-los na resolução, descobrindo as dificuldades existentes nas operações
matemáticas envolvendo potência.
06/10/2016
Correção de atividade exercícios.
Nesta aula reforço os conceitos corrigindo os exercícios da última aula.
11/10/2016
Revisão de conteúdo.
Alguns alunos que haviam perdido as aulas pediram pra discutir o assunto
novamente, onde me utilizei dos recursos anteriores.
13/10/2016
Simulado – FUVEST proposto pelo colégio.
18/10/2016 – 3 aulas
Elaboração da Mostra Brasil (feira cultural – evento cultural – projeto
interdisciplinar).
Avaliação disponível no Google Forms (16 a 20 /10).
Os alunos foram comunicados sobre a abertura para responder os testes no
Google Forms, através de um grupo formado em uma rede social. Este grupo desta rede
social é um canal de comunicação entre professores e alunos desta turma.
20 /10/2016
Elaboração da Mostra Brasil (feira cultural – evento cultural).
25/10/2016
Atividade final “Atividade 4”.
Obs.: No momento de formação dos grupos para fazer as atividades contribuiu
para que os alunos pudessem trabalhar, com um espirito de equipe socializando-se.
Há uma aluna que não se relaciona com os demais alunos da sala. Segundo sua
mãe em uma reunião de pais, nos informou que sua filha não se relaciona nem com os
parentes nos encontros de família, e que não gosta de fica em companhia de demais
48
pessoas. Ao propor as atividades em grupos, os alunos da sala não deixaram esta aluna
isolada convidando a participar do grupo, socializando-se, interagindo e aprendendo a
trabalhar coletivamente. A interação desta aluna com os demais alunos da sala foi muito
satisfatória.
27/10/2016
Avaliação da UEPS
Comecei a aula perguntando o que eles sabiam de informação sobre lâmpadas de
LED. Todos confirmaram que a única informação que sabiam era de que as lâmpadas
são econômicas.
Ao perguntar sobre o que sabiam sobre materiais semicondutores uma aluna deu
o seguinte exemplo de como ela entendia ser um material semicondutor. “Que existem
carros automáticos, mecânicos e semiautomáticos, e que os semicondutores estão ente
materiais condutores e isolantes.” Esta seria a única ideia de que tinha sobre este tipo
de material, sendo que todos os alunos afirmaram não terem conhecimento sobre este
tipo de material.
Os alunos aprovaram a forma que os estudos sobre os assuntos foram
organizados. Ao realizar a pesquisa e lerem sobre o assunto em questão, antes da aula
de aprofundamento e da exemplificação apresentada pelo professor, os alunos alegaram
saber questionar melhor as dúvidas durante as aulas, e que o professor apresentou
informações mais aprofundadas e relevantes comparado ao material pesquisado. Diante
de tais comentários os alunos foram orientados a terem cautelas durante as pesquisas,
sabendo encontrar o que procuram em fontes confiáveis.
De quinze alunos apenas quatro não gostaram de fazer avaliação no GOOGLE
FORMS, alegando gostarem de métodos de avaliações tradicionais em sala e sem
dispositivos eletrônicos.
Os alunos comentaram gostar de aulas contendo mais exemplos visuais e
práticos com pouco monólogo do professor, apesar de não se interessarem pelos vídeos
propostos como uma tarefa para casa (vídeo aulas onde o aluno assistiria na sua casa de
acordo com sua disponibilidade e no seu ritmo de aprendizado), além de uma aluna
comentar de que os materiais eletrônicos muitas vezes dispersam a atenção
prejudicando o aprendizado e que gostam quando o professor apresenta resumos dos
conteúdos.
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Como corresponde uma turma do terceiro ano médio orientei-os de forma a
saberem utilizar os eletrônicos nas aulas, assim como saberem fazer seus próprios
resumos, pois irão cursar futuramente o ensino superior onde terão que ter maturidade,
responsabilidade, iniciativa e dedicação na disciplina a cursar.
50
Capítulo 7
Avaliação do produto (Análise de Resultados)
Para avaliar o produto fizemos dois tipos distintos de análise. A primeira análise
foi uma avaliação qualitativa com o intuito de identificar se houve aprendizagem. A
segunda análise consiste em uma avaliação quantitativa, onde procuramos saber o
quanto de conhecimento formal o aluno possui após estudar com o produto proposto.
7.1. Avaliação qualitativa
Fizemos uma avaliação qualitativa do produto, através das respostas dos
questionários (vide cap. 4, pág. 19) respondidos pelos grupos de alunos antes (pré-
UEPS) e após (pós-UEPS) a aplicação do produto.
As respostas concedidas no pré-UEPS foram feitas antes de qualquer informação
concedida pelo professor. Os grupos realizaram pesquisas em seus materiais eletrônicos
para responder as questões como uma atividade a ser feita em casa.
O pós-UEPS foi realizado ao final da aplicação do produto com a mesma
formação dos grupos de alunos dada no início das atividades. O questionário pós-UEPS
foi respondido em sala de aula e não foi permitido consultas.
A metodologia de avaliação com consulta no início da atividade permite
mensurar a capacidade e a qualidade das informações com os quais os alunos têm
acesso. A mudança da metodologia para as respostas apresentadas sem consultas a
materiais didáticos durante sua realização, trás ao professor a oportunidade de analisar o
processo da aprendizagem mediante as respostas apresentadas pelos alunos que
passaram por uma UEPS.
A análise da avaliação é a identificação de uma aprendizagem significativa,
quando nota-se se houve ou não por parte dos alunos associações entre seus
conhecimentos prévios com a física por trás dos LED.
Segue abaixo as transcrições das respostas pré-UEPS e pós-UEPS, e por fim, a
avaliação das mesmas na qual são apontadas indícios de uma aprendizagem referente ao
assunto abordado. Dessa forma, orientamos as nossas análises em identificar a
aprendizagem.
51
GRUPO – α (ALFA)
Atividade 1 – b) Cite o principio de funcionamento das seguintes lâmpadas:
incandescente, fluorescente e de LED.
Pré-UEPS
“Incandescente: esta iluminação resulta da passagem de corrente elétrica por um fio em
forma de espiral e de alta resistência elétrica. Quanto maior for a temperatura do fio
mais luz é emitida.”
“Fluorescente: “Luz fria”, emitem menos calor para o ambiente. São constituídas de um
tubo de vidro em forma de cilindro e sua superfície interior é coberta com uma camada
de pó fluorescente. A luz é produzida pelo encontro da radiação com a superfície
coberta pelo pó.”
“LED: A transformação, nesse tipo de lâmpada, de energia elétrica em luz é feita na
matéria, sendo, por isso, camada de estado sólido. Ela é um componente do tipo
bipolar,ou seja, tem um terminal chamado ânodo e outro cátodo. Dependendo de como
for polarizado, permite ou não a passagem de corrente elétrica e, consequentemente, a
geração ou não de luz.”
Pós-UEPS
“Incandescente: a passagem de corrente elétrica por um material que oferece uma
resistência a esta passagem gera calor, elas aquecem e emitem luz.”
“Fluorescente: quando a lâmpada é conectada a uma fonte de tensão, estabelece uma
direfença de potencial entre os eletrodos e uma corrente elétrica começa a ser produzida
pela mistura gasosa, fazendo com que haja a emissão de radiação ultravioleta. Essa
radiação é absorvida pelo silicato de zinco e convertida em luz visível, sendo refletida
para o ambiente.”
“LED: dentro dessa lâmpada existe uma fita de LED que produz luz quando por ela é
percorrido energia elétrica.”
Avaliação
Para esse grupo o funcionamento da lâmpada incandescente é entendido de
maneira igual para os dois momentos. Para a lâmpada fluorescente há uma melhor
explicação após aplicação do produto. Já para o LED não apresentam um aprendizado,
pois a resposta foi até mais insatisfatória do que antes.
52
Atividade 1 – e) O que faz um LED emitir cores diferentes?
Pré-UEPS
“Dependendo do nível de intensidade luminosa e da extensão do comprimento de onda,
a lâmpada emite determinada cor, entre elas: vermelho, âmbar, verde, azul, ciano e
branco.”
Pós-UEPS
“A luz emitida pelo diodo de emissão de luz tem um comprimento de onda específico e
portanto, uma cor específica. O último depende do material do semicondutor do LED.
Os semicondutores de LED consistem de combinações dos elementos.”
Avaliação
Nessa questão vemos um aprendizado, pois há uma conexão entre os conhecimentos
prévios e a física do LED.
Atividade 3 – a) O que é um material condutor, isolante e semicondutor?
Pré-UEPS
“Condutor: um elemento é considerado bom condutor de elétrons de valência, ou seja,
da ultima camada atômica têm uma fraca ligação com os átomos. Assim, eles se
deslocam mais facilmente quando submetidos a uma diferença de potencial.”
“Isolante: é mau condutor elétrico pois seus elétrons da última camada estão
intensamente ligados aos átomos, isolando, portanto, como indica o nome, a
eletricidade.”
“Semicondutores: eles são aqueles elementos que se encontram no meio da tabela de
resistividade elétrica, sendo condutores fracos quando em sua forma pura e tornando-se
excelentes condutores quando se adicionam ou retiram elétrons.”
Pós-UEPS
“Condutor: Este é um material conduz bem a corrente elétrica porque os elétrons de
valência estão fracamente ligados ao átomo, sendo portanto, facilmente deslocados.”
“Isolantes: Neste material os elétrons da última camada estão bem firmes, assim, não
conduzem bem a corrente elétrica porque é difícil faze-los mover.”
“Semicondutor: materiais como o germânio e o silício não são nem bons nem maus
condutores pois sua condutibilidade depende da temperatura em que está exposto.”
53
Avaliação
Para esta questão não houve uma mudança significativa entre os dois momentos.
Houve uma apresentação cuja explicação é bem simples sobre o assunto que foi
questionado.
Atividade 3 – b) O que é dopagem? Quais são os tipos de dopagem?
Pré-UEPS
“A dopagem consiste num procedimento de adição de impurezas químicas a um
elemento semicondutor para transforma-lo num elemento mais condutor, porém, de
forma controlada.
Existem dois tipos de dopagem:
N: ocorre com a adição de fósforo, gerando uma carga negativa.
P: nela há adição de boro e criação de uma carga positiva.”
Pós-UEPS
“É um procedimento de adição de impurezas químicas a um elemento semicondutor
para transforma-lo num elemento mais condutor, porém, de forma controlada. Tipos de
dopagem: Tipo N e tipo P.”
Avaliação
Novamente não foram apresentadas mudanças significativas entre os dois momentos,
apresentando uma explicação simplória sobre o assunto questionado.
Atividade 3 – c) O que é um diodo? De que consiste um diodo?
Pré-UEPS
“O diodo semicondutor é um dispositivo eletrônico feito de silício ou germânico e
consiste na transformação de corrente alternada em corrente contínua”.
Pós-UEPS
“O diodo é um componente de dois terminais, que conduz corrente elétrica em um só
sentido, bloqueando sua passagem no sentido oposto. Ele transforma a corrente
alternada em contínua.”
Avaliação
Nessa questão podemos observar um aprendizado no segundo momento,
apresentando uma explicação mais detalhada sobre o dispositivo.
54
Atividade 3 – e) Como um elétron pode produzir luz?
Pré-UEPS
“O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material, geralmente metálico,
quando exposto a uma radiação eletromagnética de frequência suficientemente alta, que
depende do material. Pode ser observado quando a luz incide numa placa metálica,
liberando elétrons.
Pós-UEPS
“Um fóton de luz é produzido sempre que um elétron que está numa órbita maior do
que o normal para sua órbita normal. Durante a queda da alta energia para a energia
normal, o elétron emite um fóton (pacote de energia) com características específicas. O
fóton tem uma frequência ou cor que está de acordo com a distância que o elétron decai,
o qual é expresso pelo comprimento de onda.”
Avaliação
No segundo momento pode-se observar que houve um aprendizado, notamos
uma explicação mais detalhada sobre a emissão de luz.
55
GRUPO – β (BETA)
Atividade 1 – b) Cite o principio de funcionamento das seguintes lâmpadas:
incandescente, fluorescente e de LED.
Pré-UEPS
“Incandescente: um fino filamento de tungstênio, colocado em um bulbo de vidro,
oferece uma certa resistência a passagem da corrente (como nos resistores).”
“Fluorescente: quando o interruptor é ligado, os eletrodos geram uma corrente elétrica
que, ao passar através da mistura gasosa emite radiação ultravioleta. Esta é absorvida
pelo tungstênio de magnésio (ou silicato de zinco); essas substâncias transformam o
comprimento de onda invisível do UV em luz visível, que é refletida para o ambiente.”
“LED: Não possui filamento. Dentro da lâmpada existe uma fita de LED que produz luz
quando por ela é percorrida energia elétrica. Além de um circuito eletrônico que ajusta a
tensão para 12V.”
Pós-UEPS
“Lâmpada incandescente: funciona com um elemento que oferece uma certa resistência
à passagem da corrente.”
“Lâmpada fluorescente: os eletrodos geram uma corrente elétrica que ao passar através
da mistura gasosa emite radiação ultravioleta.”
“Lâmpada LED: dependendo da maneira que seus terminais forem polarizados, pode
permitir a passagem de corrente elétrica e gerar luz.”
Avaliação
Infelizmente nesta questão não vemos sinais de aprendizado, diante das
respostas apresentadas, sendo que não foram satisfatórias as respostas referentes ao
LED.
Atividade 1 – e) O que faz um LED emitir cores diferentes?
Pré-UEPS
“A luz emitida tem um comprimento de onda específico e, portanto, uma cor específica.
Quando transportadores de carga são recombinados, os fótons são emitidos de acordo
com os níveis de energia distintos específicos. As cores que podem ser produzidas nesse
processo são azul, white, vermelho, vermelho alaranjado, verde, ciano, âmbar.”
56
Pós-UEPS
“Quando os transportadores de carga são recombinados, os fótons são emitidos de
acordo com os níveis de energia distintos específicos. Isso especifica a cor de luz em
particular.”
Avaliação
As respostas apresentadas nos dois momentos foram semelhantes, não tão
esclarecidas como esperado, ou que apresentassem um aprendizado.
Atividade 3 – a) O que é um material condutor, isolante e semicondutor?
Pré-UEPS
“Existem materiais que não impedem a passagem de corrente elétrica como o cobre, o
ferro, o ouro, entre outros materiais, logo são chamados de condutores, pois tem uma
resistência consideravelmente baixa.”
“Semicondutores são materiais cujos átomos possuem quatro elétrons na camada de
valência. Não são bons nem maus condutores de eletricidade, pois a condutibilidade
depende da temperatura em que o material é exposto.”
“Isolantes elétricos são materiais que dificultam a passagem de corrente elétrica, ou
seja, as cargas elétricas não se movem livremente”.
Pós-UEPS
“Condutor: são meios materiais que permitem a passagem de cargas elétricas
facilmente.”
“Isolantes: são materiais que não permitem passagem de corrente elétrica. Por exemplo,
a borracha.”
“Semicondutores: tem condutividade elétrica intermediária entre condutores e
isolantes.”
Avaliação
No primeiro momento foram apresentadas respostas de forma geral sem
detalhes, do por que os materiais se comportam de tal maneira. Já no segundo momento
o grupo apresentou respostas simplórias não apresentando um aprendizado.
Atividade 3 – b) O que é dopagem? Quais são os tipos de dopagem?
57
Pré-UEPS
“A dopagem é o processo de adição de átomos, chamados de impurezas, de outro
material ao semicondutor. Assim, os semicondutores dopados podem ser de dois tipos:
tipo n e tipo p. Os semicondutores dopados com átomos doadores são chamados de
semicondutores tipo n. Os semicondutores dopados com átomos acumuladores são
chamados semicondutores tipo p.”
Pós-UEPS
“A dopagem é um procedimento de adição de impurezas químicas a um elemento
semicondutor para transforma-lo em um elemento mais condutor de forma controlada.
Existem dois tipos: N, que ocorre com a adição de fósforo ou arsênico ao silício. Nela,
ocorre ligações covalentes entre quatro elétrons da camada de valência e o que resta
torna-se um elétron livre que ganha movimento e gera corrente.”
“Já a dopagem tipo P ocorre com a adição de boro ou gálio ao silício. A partir dai são
criadas lacunas que conduzem a corrente e a ausência de um elétron criam uma carga
positiva.”
Avaliação
No pós-UEPS foi apresentado uma melhor resposta sobre a dopagem do que a
apresentada no pré-UEPS, nos trazendo indícios de um aprendizado.
Atividade 3 – c) O que é um diodo? De que consiste um diodo?
Pré-UEPS
“O diodo é um componente eletrônico de dois terminais, que conduz corrente elétrica
preferencialmente em um só sentido, bloqueando sua passagem no sentido oposto. O
diodo semicondutor é um dispositivo eletrônico feito de silício ou germânio que tem
como função transformar corrente alternada em corrente contínua.”
Pós-UEPS
“O diodo semicondutor é um elemento ou componente eletrônico composto de cristais
semicondutores de silício ou germânio em uma película cristalina cujas faces expostas
são dopadas por diferentes materiais durante sua formação, que causa polarização de
cada uma das extremidades.”
58
Avaliação
Nota-se uma complementação nas duas explicações sobre o dispositivo, sendo o
pré-UEPS uma resposta mais satisfatória.
Atividade 3 – e) Como um elétron pode produzir luz?
Pré-UEPS
“Quando uma partícula ganha energia, o movimento dos elétrons se acelera, levando-as
a se afastar do núcleo. Este afastamento do núcleo acontece na forma de “saltos”,
chamados de saltos quânticos.
O retorno dos elétrons às suas posições (desde que não tenham se desprendido do
átomo) libera a energia recebida para realizarem o salto. Essa energia é liberada na
forma de um fóton, o que ocasiona emissão de luz.”
Pós-UEPS
“Um fóton de luz é produzido sempre que um elétron que está numa órbita maior do
que a normal volta para sua órbita normal. Durante a queda da alta energia para a
energia normal, o elétron emite um fóton.”
“*Qualquer tipo de luz é composto por fótons se propagando pelo espaço.”
Avaliação
No pós-UEPS o grupo apresentou uma resposta semelhante ao pré-UEPS, mas
de forma simplificada.
59
GRUPO – γ (GAMA)
Atividade 1 – b) Cite o principio de funcionamento das seguintes lâmpadas:
incandescente, fluorescente e de LED.
Pré-UEPS
“Incandescentes: convertem 90 a95% de eletricidade em calor;”
“Fluorescente: são lâmpadas de luz branca ou frias que são classificadas de acordo com
o seu formato.”
“LED: É uma lâmpada em que consome apenas energia elétrica, podendo chegar até
90% do consumo total.”
Pós-UEPS
“Incandescente: ocorre a passagem de corrente elétrica por um material que oferece uma
resistência a esta passagem gera calor alguns materiais aquecem em tamanha quantidade
que emite luz.”
“Fluorescente: é a lâmpada mais econômica do mercado é melhor que a incandescente,
pois, aquecendo-se menos, dissipa menos energia em forma de calor.”
“LED: diferente das lâmpadas comuns, as lâmpadas LED não possuem filamento, o que
faz que elas durem mais.
Avaliação
O grupo apresentou uma melhora na explicação sobre lâmpadas incandescentes.
Já para as demais lâmpadas não apresentaram um aprendizado.
Atividade 1 – e) O que faz um LED emitir cores diferentes?
Pré-UEPS
“A liberação de diferentes quantidades de energia. Quando os elétrons portadores de
carga são recombinados os fótons são emitidos de acordo com os níveis de energia
distintos específicos. Luz azul, braço e amarelo.”
Pós-UEPS
“As impurezas que são inseridas.”
Avaliação
Ao analisar as questões respondidas nos dois momentos podemos ver que há
uma complementação da resposta no segundo momento, não ficando claro se houve um
aprendizado.
60
Atividade 3 – a) O que é um material condutor, isolante e semicondutor?
Pré-UEPS
“Condutor é um material em que mantém o movimento da corrente elétrica, isolante
para o movimento dos elétrons e semicondutor pode fazer as duas funções.”
Pós-UEPS
“Condutor mantém a corrente elétrica mantém a corrente elétrica em movimento,
isolante interrompe o movimento da corrente elétrica e semicondutores podem tanto
manter ou interromper a corrente.”
Avaliação
As explicações são semelhantes nos dois momentos, e de maneira muito simples,
não evidenciado um aprendizado.
Atividade 3 – b) O que é dopagem? Quais são os tipos de dopagem?
Pré-UEPS
“Dopagem é o processo em que insere impurezas para transformar o material
semicondutor em condutor.
Dopagem tipo N: ocorre a adição de fósforo ou arsênico ao silício.
Dopagem tipo P: ocorre a adição de boro ou gálio ao silício.”
Pós-UEPS
“Dopagem é um procedimento de adição de impurezas químicas a um elemento
semicondutor para transforma-lo num elemento mais condutor.”
“Dopagem tipo N: adição de fósforo ou arsênico ao silício.”
“Dopagem tipo P: adição de boro ou gálio ao silício.”
Avaliação
As explicações são semelhantes nos dois momentos, sem mais detalhes sobre as
dopagens, não evidenciado um aprendizado.
Atividade 3 – c) O que é um diodo? De que consiste um diodo?
Pré-UEPS
“Diodo é composto por silício ou germano. É um dispositivo eletrônico.
Pós-UEPS
“Diodo é um semicondutor composto por silício ou germânio que tem como função
transformar corrente alternada em corrente contínua.”
61
Avaliação
A explicação no pós- UEPS foi melhor que no primeiro momento evidenciando
um aprendizado.
Atividade 3 – e) Como um elétron pode produzir luz?
Pré-UEPS
“Um elétron produz luz através do salto quântico, que é um processo que quando o
elétron passe para a outra camada de valencia durante esse processo ocorre a produção
de luz.”
Pós-UEPS
“Por meio de movimentação de maneira ordenada, mais conhecido como corrente
elétrica.”
Avaliação
A explicação no primeiro momento é mais clara, pois no segundo momento há uma
confusão de conceitos, não evidenciado um aprendizado.
62
GRUPO – θ (TETA)
Atividade 1 – b) Cite o principio de funcionamento das seguintes lâmpadas:
incandescente, fluorescente e de LED.
Pré-UEPS
“Incandescentes: Ao ligar o interruptor, passa pela lâmpada, por meio de duas gotas de
solda de prata, a corrente elétrica. Há, na lâmpada, dois fios de cobre paralelos que
possuem um fio fino ligado em suas extremidades, chamado de filamento a corrente, ele
se torna incandescente, produzindo luz.”
“Fluorescente: Possuem um tubo de vidro coberto com um material à base de fósforo.
Neste tubo, existem eletrodos, em forma de filamentos nas suas extremidades, com a
função de pré-aquecer o interior da lâmpada e reduzir a tensão elétrica.”
“A intensidade de corrente elétrica que passa através dos tubos (de descarga de gás)
emite grande quantidade de radiação UV que é convertida, pela camada de fósforo, em
luz visível. Para essa lâmpada funcionar precisa do Starter e do balastro, que é uma
bobina para gerar a alta tensão necessária ao arranque e controlar a corrente elétrica
consumida pela lâmpada.”
“LED: Não possuem filamento. Em seu interior há uma fita de LED que produz luz
quando por ela é percorrido energia elétrica. Possui, também, um circuito eletrônico que
ajusta a tensão para 12V, necessário para o funcionamento da lâmpada que é mais
durável.”
Pós-UEPS
“A lâmpada incandescente possui, em seu interior, duas gotas de solda de prata que têm
fios de cobre entre as duas extremidades e um fio muito fino chamado de filamento.
Quando o interruptor é acionado, a corrente elétrica passa pela lâmpada, produzindo luz
ao passar pelo filamento.”
“A lâmpada fluorescente funciona como um tubo de descarga de gás néon com um par
de elétrons em cada extremo. Esses eletrodos possuem forma de filamentos e têm a
função de aquecer seu interior para reduzir a tensão elétrica. A intensidade da corrente
elétrica emite uma grande quantidade de radiação U.V. que é convertida em luz visível
por uma camada de fósforo que cobre o tubo de vidro. Para funcionar a lâmpada precisa
do starter e o balastro que geram alta tensão para controlar a corrente consumida pela
lâmpada.”
63
“A lâmpada de LED não tem um filamento produzindo pouco calor. Possui apenas, uma
fita de LED e um circuito eletrônico que ajusta a tensão para 12V que, quando
percorridos por uma corrente elétrica produzem luz.”
Avaliação
As explicações são semelhantes nos dois momentos. Sendo apenas a explicação
da lâmpada fluorescente satisfatório nos dois momentos. Para os demais tipos de
lâmpadas, não há clareza e nem detalhes nas explicações, não evidenciado um
aprendizado.
Atividade 1 – e) O que faz um LED emitir cores diferentes?
Pré-UEPS
“A luz emitida pelo diodo de emissão de luz, tem um comprimento de onda específicoe,
portanto, uma cor.
Os semicondutores de LED consistem de combinações dos elementos como, por
exemplo, fosfetos ou arsenietos.
Cada cor de luz do LED é emitida por uma faixa muito estreita de comprimento de
onda, da mesma forma, somente represente uma cor de luz específica. O único espectro
que não pode ser produzido é o da luz branca, uma vez que a luz branca representa uma
mistura de todas as cores.”
Pós-UEPS
“A cor emitida pelo LED depende do material semicondutor usado nele. Como os
semicondutores usados possuem impurezas como fosfetos ou arsianetos, essas
impurezas liberam quantidades diferentes de energia e é essa liberação de energia que
faz a emissão de cores diferentes, um exemplo disso é que a luz azul só é emitida se um
nível de energia for liberado.”
Avaliação
No pós-UEPS foi apresentada uma resposta mais satisfatória de maneira clara e
objetiva evidenciado um aprendizado.
Atividade 3 – a) O que é um material condutor, isolante e semicondutor?
64
Pré-UEPS
“Condutor: são os elétricos que possuem um excesso de elétrons em sua camada de
valência, que é a última camada a receber elétrons em um átomo. Esses elétrons
presentes na camada de valência são denominados de elétrons livres, e possuem uma
pequena força de atração entre eles e o núcleo atômico, logo, eles possuem facilidade de
se movimentar pelo material, tornando a substância em questão um bom condutor de
eletricidade. De modo geral, os metais são excelentes condutores elétricos.
Isolantes: Os elétrons que formam esses materiais não tem facilidade de movimentação,
tendo em vista a forte ligação entre eles e o núcleo atômico. Alguns exemplos de
materiais isolantes: isopor, borracha, madeira seca, vidro, entre outros.
Semicondutor: Esses materiais possuem propriedades elétricas intermediárias entre
condutores e isolantes. As condições físicas às quais o material é submetido determinam
se ele se comportará como condutor ou como um isolante. Esses materiais são utilizados
pela indústria de eletrônicos para a composição de circuitos.”
Pós-UEPS
“Condutores – são os elétricos que possuem um excesso de elétrons em sua camada de
valência, que é a última camada a receber elétrons e um átomo. Esses elétrons presentes
na camada de valência são denominados elétrons livres, e possuem uma pequena força
de atração entre eles e o núcleo atômico, logo eles possuem facilidade de se movimentar
pelo material, tornando a substância em questão um bom condutor de eletricidade.”
“Isolantes – Os elétrons que formam esses materiais não tem facilidade de
movimentação, tendo em vista a forte ligação entre eles e o núcleo atômico.”
“Semicondutor – Esses materiais possuem propriedades elétricas intermediárias entre
condutores isolantes. As condições físicas às quais o material é submetido determinam
se ele se comportará como condutor ou isolante.”
Avaliação
As explicações nos momentos pré e pós foram de forma semelhantes e sem mais
detalhes sobre o questionamento, não evidenciado um aprendizado.
Atividade 3 – b) O que é dopagem? Quais são os tipos de dopagem?
Pré-UEPS
“Dopagem é a adição de impurezas químicas elementares em elemento químico
semicondutor puro. Existem dois tipos:
65
N: que ocorre a adição de fósforo ou arsênico ao silício. Os dois elementos possuem
cinco elétrons na camada de valência. Ocorrem ligações covalentes entre quatro elétrons
e um deles fica livre, ou seja, é o chamado elétron livre, que ganha movimento e gera
corrente elétrica. O nome N é por gerar carga negativa existente.
P: adição de boro ou gálio ao silício. Ambos possuem três elétrons na camada de
valência. Quando são adicionados ao silício criam lacunas, que conduzem corrente e a
ausência de um elétron cria carga positiva, por isso o nome P.”
Pós-UEPS
“Dopagem é a adição de impurezas químicas elementares em elemento químico
semicondutor puro. Existem 2 tipos:
N: ocorre a adição de fósforo ou arsênico ao silício. Os dois possuem cinco elétrons na
última camada de valência. O nome N é por gerar carga negativa existente.
P: adição de boro ou gálio ou silício ambos possuem três elétrons na camada de
valência. Quando são adicionados ao silício criam lacunas que conduzem corrente e a
ausência de um elétron cria uma carga positiva, por isso o nome P.”
Avaliação
As respostas foram semelhantes nos dois momentos, apresentando uma sutil
melhora no pós, na explicação sobre dopagem do tipo P.
Atividade 3 – c) O que é um diodo? De que consiste um diodo?
Pré-UEPS
“Diodo é um componente eletrônico de dois terminais, que conduz corrente elétrica
preferivelmente em um só sentido, bloqueando a sua passagem no sentido oposto. É
composto por um cristal semicondutor, como o silício, no intuito de criar uma região de
portadores negativos (elétrons), chamada região “n” e uma região de portadores
positivos, região”p”.”
Pós-UEPS
“Diodo é um componente eletrônico de dois terminais, que conduz corrente elétrica
preferivelmente em um só sentido, bloqueando a sua passagem no sentido oposto. É
composto por um cristal semicondutor, como o silício, no intuito de criar uma região de
portadores negativos (N) e uma região de portadores positivos (P).”
66
Avaliação
As explicações são semelhantes nos dois momentos, não evidenciado um
aprendizado.
Atividade 3 – e) Como um elétron pode produzir luz?
Pré-UEPS
“Qualquer tipo de luz é composto de um ou mais fótons se propagando pelo espaço
como ondas eletromagnéticas. O que vemos no nosso dia-a-dia vê aos olhos na forma de
zilhões de fótons produzidos por fontes de luz e pela reflexão de objetos. Os seus olhos
absorve alguns dos fótons que estão flutuando pela sala e é assim que você enxerga.”
Pós-UEPS
“A luz é uma forma de energia que pode ser liberada por um átomo. Ela é feita de uma
grande quantidade de pequenos pacotes tipo partículas que têm energia e momento, mas
nenhuma massa. Estas partículas chamadas fótons, são unidades básicas da luz.”
Avaliação
As explicações nos dois momentos não foram satisfatórias não correspondendo
ao esperado de um aprendizado.
67
GRUPO – ω (ÔMEGA)
Atividade 1 – b) Cite o principio de funcionamento das seguintes lâmpadas:
incandescente, fluorescente e de LED.
Pré-UEPS
“As lâmpadas de LED convertem energia elétrica diretamente em energia luminosa,
através de pequenos chips. As Fluorescentes, são compostas por um vidro coberto por
um material à base de fósforo, e dentro dela há gases inertes a baixa pressão que se
ionizam quando é aplicada uma corrente elétrica, gerando luz. Já nas incandescentes,
dentro do bulbo de vidro há um filamento de tungstênio e gás inerte. Quando ocorre a
passagem da corrente elétrica pelo filamento, há a liberação de energia que transforma-
se em calor e luz (exatamente por isso, esta lâmpada esquenta muito). Quando mais
forte a lâmpada (maior o número de watts), mais calor emitirá.”
Pós-UEPS
“As lâmpadas de LED convertem energia elétrica diretamente em energia luminosa,
através de pequenos chips. As fluorescentes, são compostas por um vidro coberto por
um material à base de fósforo, e dentro dela há gases inertes a baixa pressão que se
ionizam quando é aplicada uma corrente elétrica, gerando luz. Já nas incandescentes,
quando ocorre a passagem de corrente elétrica pelo filamento (de tungstênio), há a
liberação de energia que transforma-se em calor e luz.”
Avaliação
As explicações foram semelhantes nos dois momentos, não havendo muita
clareza sobre a questão, e infelizmente não evidenciando um aprendizado.
Atividade 1 – e) O que faz um LED emitir cores diferentes?
Pré-UEPS
“As cores são emitidas de acordo com o comprimento específico da onda que chega no
LED e, essas cores são: vermelhas, verdes e roxas.
Pós-UEPS
“O que faz um LED emitir cores diferentes é o comprimento e a frequência da onda,
além das impurezas que são adicionadas ao LED.”
68
Avaliação
As respostas são semelhantes nos dois momentos, e de maneira muito simples,
sem maiores detalhes de como ocorre tais situações, não evidenciado um aprendizado.
Atividade 3 – a) O que é um material condutor, isolante e semicondutor?
Pré-UEPS
“O que caracteriza o material bom condutor é o fato de os elétrons de valência (por
exemplo, o cobre possui um elétron na última camada) estarem fracamente ligados ao
átomo, podendo ser facilmente deslocados do mesmo. Obviamente, os materiais
isolantes devem corresponder aos materiais que apresentam os elétrons de valência
rigidamente ligados aos seus átomos. Entre os próprios elementos simples, existem
vários que apresentam os elétrons de valência rigidamente ligados aos átomos.
Entretanto, verifica-se que se consegue uma resistividade muito maior com substâncias
compostas, como é o caso da borracha, mica, teflon, baquelite etc. (é mais ou menos
intuitivo que os átomos se combinam, formando estruturas complexas, os elétrons ficam
mais fortemente ligados a estas estruturas). Assim como existem materiais condutores e
materiais isolantes, existe um tipo de material que é um meio termo entre esses dois
primeiros. Esse material é o semicondutor. O semicondutor, portanto, possui um nível
de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor. Os materiais
semicondutores mais usados na indústria eletrônica são o Germânio (Ge) e o Silício
(Si), apesar do Silício predominar a produção atualmente. Seu comportamento se deve à
sua ligação química, chamada ligação covalente (por compartilhar elétrons).
Pós-UEPS
“O material condutor tem a presença de materiais em que as cargas elétricas se
movimentam livremente. O Isolante é um material em que as cargas elétricas não
conseguem se movimentar livremente. Já o semicondutor é um condutor elétrico, entre
o meio termo de condutores e isolantes.
Avaliação
Foi evidenciado que no pós-UEPS o grupo foi pior que no primeiro momento.
Deve ter ocorrido uma má interpretação dos conceitos apresentados, não visualizando
um aprendizado.
69
Atividade 3 – b) O que é dopagem? Quais são os tipos de dopagem?
Pré-UEPS
“Dopagem eletrônica consiste num procedimento de adição de impurezas químicas a
um elemento semicondutor para transformá-lo num elemento mais condutor, porém, de
forma controlada.
Impureza doadora: Corresponde aos elementos químicos que possuem cinco elétrons na
última camada, que se colocados na estrutura do semicondutor, terão quatro elétrons
envolvidos em ligações covalentes (sobra um, que fica praticamente livre). O
semicondutor dopado com uma impureza doadora é denominado do tipo N.
Impureza aceitadora: corresponde aos elementos químicos que possuem três elétrons na
última camada, que se colocados na estrutura do semicondutor, terão três elétrons
envolvidos em ligações covalentes (falta um, o que implica na formação de um buraco).
O semicondutor dopado com uma impureza aceitadora é denominado do tipo P.”
Pós-UEPS
“É a adição de impurezas químicas em um elemento químico semicondutor puro, com a
finalidade de dota-los de propriedades de semicondução controlada específica.”
Avaliação
A resposta apresentada no pré-UEPS foi melhor que no pós, pois faltaram
detalhes ficando incompleta, com isso não apresentando um aprendizado.
Atividade 3 – c) O que é um diodo? De que consiste um diodo?
Pré-UEPS
“O diodo semicondutor é um dispositivo eletrônico feito de silício ou germânio que tem
como função transformar corrente alternada em corrente contínua.”
Pós-UEPS
“O diodo semicondutor é um dispositivo eletrônico feito de silício ou germânio que tem
como função transformar corrente alternada em corrente contínua.”
Avaliação
As explicações são semelhantes nos dois momentos, e de maneira muito simples,
não evidenciado um aprendizado.
Atividade 3 – e) Como um elétron pode produzir luz?
70
Pré-UEPS
Os elétrons desempenham um papel essencial em muitos fenômenos físicos, tais como a
eletricidade, o magnetismo e a condutividade térmica. Os elétrons estão sujeitos à ação
de três interações fundamentais da natureza: a gravidade, a força eletromagnética e a
força fraca. Por ter carga elétrica, um elétron gera um campo elétrico em sua
vizinhança. Quando se move em relação a um observador gera também um campo
magnético. Campos eletromagnéticos externos afetam um elétron por meio da força de
Lorentz. Elétrons irradiam energia na forma de fótons quando acelerados. Elétrons são
também essenciais em muitas aplicações tecnológicas, tais como a eletrônica, a
soldagem, os tubos de raios catódicos, a microscopia eletrônica, a radioterapia, os
lasers, os detectores de radiação ionizante e os aceleradores de partículas.
Pós-UEPS
“Um salto quântico é a mudança de um elétron de um estado quântico para outro dentro
de um átomo. O movimento dos elétrons se acelera, levando-os a se afastar do núcleo,
assim, do nível1 para o 2 no primeiro salto, do 2 para o 3 no segundo salto e desta
forma, sucessivamente, produzindo luz.”
Avaliação
No primeiro momento a resposta apresentada não foi satisfatória, sendo que após
a aplicação do produto a resposta foi satisfatória, apresentando um aprendizado.
Avaliação qualitativa final
Em determinados grupos e/ou questões observamos uma evolução do
conhecimento sobre o assunto. Tal evolução é mais perceptiva se compararmos com o
mapa mental feito na primeira aula, onde os alunos nem sequer conheciam materiais
semicondutores e tampouco relacioná-los ao LED. E de que forma é gerada a luz e por
que o LED é mais econômico e eficiente, quando comparado às lâmpadas tradicionais.
Esta avaliação nos permite visualizar em quais momentos e assuntos não houve um
aprendizado, nos permitindo retomar os conceitos não concebidos pelos alunos.
Infelizmente não houve a construção de um segundo mapa conceitual. Mapa este
a ser realizado após o aprofundamento de conteúdos, devido o primeiro mapa ficar
semelhante ao mapa mental realizado em sala de aula. Com isso não caberia uma
comparação sensata entre o primeiro e o segundo mapas conceituais, para observar se
ocorreu uma aprendizagem significativa. A falha neste método de avaliação foi devido
71
os alunos não tem conhecimento sobre o conceito de mapa conceitual corretamente, e
também em função do número reduzido de aulas, não sendo possível realizar uma aula
específica sobre mapas conceituais.
Assim, pela análise qualitativa, identificamos traços de aprendizagem
significativa ao descrever o mecanismo de produção de luz no dispositivo vista nos
grupos α, β, γ, ϴ e ω.
72
7.2. Avaliação quantitativa
Outra avaliação realizada foi a quantitativa onde questões com alternativas
foram apresentadas individualmente para os alunos.
Os testes foram respondidos individualmente e como atividade extraclasse. Os
testes ficaram disponíveis por uma semana na plataforma do Google Forms.
Segue abaixo as questões e uma análise dos testes respondidos da ATIVIDADE
– 4 (pág. 24).
1. Assinale a alternativa verdadeira sobre sólidos condutores elétricos:
a) Os elétrons livres estão em movimento devido agitação térmica, mas com
movimentos ordenados e equilibrados no conjunto, constatando uma corrente
elétrica.
b) Apresentam elétrons livres, que podem se deslocar em movimentos que
dependem da temperatura e de outras condições físicas da estrutura a que
pertencem. Quando tal substância for submetida a um campo elétrico, os
elétrons se movem formando uma corrente elétrica.
c) Apresentam elétrons ligados, que podem se deslocar em movimentos que não
dependam da temperatura e de outras condições físicas da estrutura a que
pertencem. Quando tal substância for submetida a um campo elétrico, os
elétrons não se movem formando uma corrente elétrica.
d) Estes materiais possuem elétrons livres, que podem se deslocar em movimentos
que não depende da temperatura e nem de outras condições físicas da estrutura a
que pertencem. Os elétrons livres estão em movimento devido agitação térmica,
mas com movimentos desordenados e equilibrados no conjunto, constatando
uma corrente elétrica.
e) Estes materiais possuem elétrons livres, que estão sempre em movimento devido
agitação térmica, constatando uma corrente elétrica. Se a substância for
submetida a um campo elétrico, os elétrons não se movem para formar uma
corrente elétrica.
Gráfico 2: Quantidade de acertos da questão 1.
73
2. Sobre materiais isolantes assinale a alternativa correta:
a) Os elétrons que formam esses materiais não têm facilidade de
movimentação, tendo em vista a forte ligação entre eles e o núcleo atômico.
b) Os elétrons que formam esses materiais possuem uma facilidade de
movimentação, devida à fraca ligação entre eles e o núcleo atômico.
c) Os corpos considerados isolantes elétricos possuem excesso de elétrons em sua
camada de valência, que é a última camada a receber elétrons em um átomo.
d) Os elétrons presentes na camada de valência de um isolante são denominados de
elétrons livres, e a força de atração entre eles e o núcleo atômico é pequena.
e) Os elétrons presentes na camada de valência de materiais isolantes possuem
facilidade de se movimentar pelo material.
Gráfico 3: Quantidade de acertos da questão 2.
74
3. Sobre semicondutores assinale a afirmação falsa.
a) Os materiais denominados de semicondutores possuem propriedades elétricas
intermediárias entre condutores e isolantes.
b) As condições físicas às quais o material é submetido determinam se ele se
comportará como condutor ou como um isolante.
c) Esses materiais são largamente utilizados pela indústria de eletrônicos para a
composição de circuitos.
d) Materiais denominados semicondutores possuem propriedades elétricas
como os condutores, possuindo uma banda de energias proibidas muito
larga.
e) O silício e o germânio são exemplos de materiais com essa característica.
Gráfico 4: Quantidade de acertos da questão 3.
75
4. As propriedades elétricas de um material dependem da configuração de suas
bandas de energia e do tamanho da banda proibida, sendo esta banda a diferença
de energia que há entre a banda de valência e da banda de condução.
Diante da afirmação acima associe as colunas abaixo e assinale a alternativa correta.
(1) Condutor
(2) Isolante
(3) Semicondutor
(I) O nível proibido é grande demais para ser
transposto.
(II) Observa-se a superposição de bandas de
energia.
(III) Na temperatura de 0 K a banda de energia
repleta com elétrons mais alta é chamada de
banda de valência e a próxima banda é chamada
de banda de condução.
a) 1-I; 2-II; 3-III
b) 1-I; 2-III; 3-II
c) 1-III; 2-II; 3-I
d) 1-II; 2-III; 3-I
e) 1-II; 2-I; 3-III
Gráfico 5: Quantidade de acertos da questão 4.
76
5. Sobre banda proibida assinale a alternativa correta.
a) A banda proibida é a região chamada de banda de valência.
b) A banda proibida é a região onde se forma a corrente elétrica sem a ação de um
campo elétrico.
c) A banda proibida é a região localizada entre as bandas de valência do
átomo, e a banda de condução.
d) A banda proibida é a região chamada banda de condução.
e) A banda proibida é a região chamada de valência do átomo, onde há formação
de corrente elétrica.
Gráfico 6: Quantidade de acertos da questão 5.
77
6. Diante das afirmações abaixo assinale verdadeiro ou falso.
i. A condutividade de um material pode ser aumentada através da adição de
imperfeições eletrônicas, gerando assim a chamada condutividade extrínseca, ou
semicondução, que pode ser do tipo p ou do tipo n.
ii. A condutividade de um material pode ser aumentada através da adição de
imperfeições eletrônicas, gerando assim a chamada condutividade intrínseca, ou
semicondução, que pode ser do tipo p ou do tipo n.
iii. Condutividade extrínseca é o resultado de pequenos deslocamentos eletrônicos,
nas estruturas cristalinas em determinados materiais considerados puros em
termos de sua composição química.
iv. Condutividade Intrínseca é o resultado de pequenos deslocamentos eletrônicos,
nas estruturas cristalinas em determinados materiais considerados puros em
termos de sua composição química.
a) F,V,V,F.
b) V,F,F,V.
c) V,F,V,V.
d) F,F,F,V.
e) V,V,F,V.
Gráfico 7: Quantidade de acertos da questão 6.
78
7. (Cefet-PR) Um dos grandes mistérios que a natureza propiciava à espécie
humana era a luz. Durante dezenas de milhares de anos a nossa espécie só pôde
contar com este ente misterioso por meio de fogueiras, queima de óleo em
lamparinas, gordura animal, algumas resinas vegetais etc. Somente a partir da
revolução industrial é que se pôde contar com produtos como querosene,
terebintina e outras substâncias. Mas, mesmo assim, a natureza da luz
permanecia um grande mistério, ou seja, qual fenômeno físico ou químico gera
luz. Somente a partir das primeiras décadas do século XX é que Niels Bohr
propôs uma explicação razoável sobre a emissão luminosa. Com base no texto,
qual alternativa expõe o postulado de Bohr que esclarece a emissão luminosa?
a) Os elétrons movem-se em níveis bem definidos de energia, que são denominados
níveis estacionários.
b) Ao receber uma quantidade bem definida de energia, um elétron “salta” de um nível
mais externo para um nível mais interno.
c) Um elétron que ocupa um nível mais externo “pula” para um nível mais interno,
liberando uma quantidade bem definida de energia.
d) Quanto mais próximo do núcleo estiver um elétron, mais energia ele pode emitir na
forma de luz; quanto mais distante do núcleo estiver um elétron, menos energia ele pode
emitir.
e) Ao se mover em um nível de energia definida, um elétron libera energia na forma de
luz visível.
Gráfico 8: Quantidade de acertos da questão 7.
79
8. (UFJF-MG) A figura ao lado mostra os níveis de energia do átomo de
hidrogênio. Se inicialmente o elétron está no estado quântico
fundamental (de menor energia), qual a sua energia cinética após o
átomo ter sido ionizado por um fóton de energia 20eV?
a) 33,6 eV
b) 13,6 eV
c) 6,4 eV
d) 10,2 eV
e) 3,2 eV
Gráfico 9: Quantidade de acertos da questão 8.
80
9. Um fóton emitido por um Led possui uma energia de 2,08 eV. Dado a Constante
de Planck h = 4,0.10-15
eV.s, determine a cor emitida.
a) Anil
b) Azul
c) Verde
d) Amarela
e) vermelha
Gráfico 10: Quantidade de acertos da questão 9.
81
10. Para que possamos ligar sem queimar um Led branco de tensão máxima de 3V a
uma bateria de tensão 9V, devemos ligar em serie uma resistência elétrica de
quantos ohms? (corrente máxima suportada pelo Led i = 0,02A)
a) 300
b) 330
c) 340
d) 350
e) 380
Gráfico 11: Quantidade de acertos da questão 10.
82
Análise geral de desempenho dos alunos nesta avaliação individual.
Gráfico 12: Desempenho dos alunos na atividade 4.
Sendo uma sala bem homogênea no requisito de dificuldades e facilidades
apresentadas em Física, assim como as perspectivas individuais de futura graduação,
obtemo-nos por satisfeito diante destes resultados individuais apresentado neste teste
proposto, pois mais de dois terços da turma conseguiram pontuações acima da média.
83
Capítulo 8
Conclusão e considerações finais
Como foi descrito na introdução há a necessidade de se trabalhar assuntos
contemporâneos relacionados ao cotidiano dos alunos. Com isso tem-se a intenção de
trazer assuntos que despertem o interesse do aluno e que apresentam relações com as
tecnologias atuais. Portanto, diante de análises de livros didáticos usuais, vimos a
necessidade de apresentar conceitos de Física Moderna aos alunos assim como é
apresentado como proposta pela Secretaria de Educação do Estado de São Paulo -SEE
(SÃO PAULO-2012). O assunto escolhido foi sobre materiais semicondutores e
algumas de suas aplicações.
Este trabalho teve como objetivo desenvolver um produto educacional trazendo
recursos que possibilitem uma aprendizagem significativa. Para isso foi necessário
desenvolver um plano de aula baseada na teoria de aprendizagem significativa de
Ausubel (MOREIRA, 2015), procedimento conhecido por UEPS. Assim nessa UEPS
levam-se em consideração os conceitos prévios sobre os dispositivos e o LED, que
foram adquiridos ao longo de sua vida escolar e fora dela pelo aluno.
Ao desenvolver este plano de aula notamos a necessidade de escrever um
material didático de fácil compreensão, pois não há material didático sobre
semicondutores para alunos do Ensino Médio.
Nas aulas de UEPS tivemos como primeira atividade a realização de um mapa
mental realizado a partir de discussões entre os alunos, sem haver um prévio contato do
que sejam materiais semicondutores. O mapa construído pela turma foi a partir da
palavra LED, onde eles apresentaram relações como sendo revolucionário, econômico,
durável, tecnológico além de serem utilizados em veículos e aparelhos eletrônicos. Isso
nos mostrou quais eram os conhecimentos prévios dos alunos, e consequentemente nos
orientou de como abordar os conceitos físicos.
Nas atividades que envolviam as mesmas perguntas realizadas no pré o pós-
UEPS, podemos avaliar as respostas apresentadas de forma qualitativa, observando se
houve ou não uma evolução nas respostas apresentadas pelos grupos, onde foram
destacados conhecimentos específicos, assim como os conceitos sobre impurezas, as
transições eletrônicas em um átomo de hidrogênio e a emissão de luz. Caso não
constatado o aprendizado (uma falha no processo de ensino aprendizado), o professor
sabe a qual ponto retornar para reforçar determinado conceito físico.
84
Em uma forma mais quantitativa foi aplicado um teste individual com os alunos.
O teste consistiu em acessar o “GOOGLE FOMRS” e responder as questões que ali
estavam postados. O teste indicou de forma satisfatória o aprendizado de
semicondutores, onde a turma teve uma média de 6 (seis) pontos de 10 (dez).
Finalmente estamos satisfeitos diante dos resultados, pois na avaliação da UEPS
os alunos relataram gostar da forma diferenciada de trabalho, onde eles pesquisavam e
liam e respondiam as questões propostas pelo professor, antes da apresentação formal
do assunto. Houve um melhor aproveitamento do aprendizado, pois sabiam quais as
dúvidas a serem questionadas devido à breve leitura sobre o assunto, esse foi o relato de
um aluno em nome da turma. Apenas quatro (4) alunos de um total de quinze (15) não
gostaram de fazer os testes no Google Forms, alegando estarem acostumados com
avaliações tradicionais (em ter o contato com o papel).
Conclui-se que o produto (sequência de aula mais o material potencialmente
significativo) conseguiu atingir o objetivo, consistindo em ensinar o princípio de
funcionamento de um dispositivo eletrônico para uma turma do 3° ano do Ensino
Médio, trazendo conceitos físicos ao se tratar de uma tecnologia extremamente atual,
além de notamos que o aluno teve uma participação muito mais ativa comparada às
aulas tradicionais.
85
Apêndice A
Material do aluno
Segue como parte da dissertação o texto “Dispositivo eletrônico –
semicondutores, Diodos e LEDs” destinado aos alunos. Este material foi desenvolvido
com o objetivo de ser um material de apoio para o aluno, tendo como objetivo ser um
material específico e de fácil compreensão sobre semicondutores, diodos e LEDs. No
texto há uma descrição do principio da emissão de luz, assim como o funcionamento de
lâmpadas convencionais e comparações entre os tipos de lâmpadas existentes no
mercado. Esse tema é abordado devido ao destaque do assunto no cotidiano do aluno.
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Apêndice B
Guia do professor
Segue como parte da dissertação um guia para o professor sobre do que se trata
uma “UEPS para o ensino de Semicondutores e LED”. Este guia consiste em um
resumo sobre como trabalhar o estudo de materiais semicondutores, utilizando-se de
uma unidade de ensino potencialmente significativa, com isso apresentando uma
sequência de aulas.
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Apêndice C
Artigo apresentado no SNEF
Segue como parte da dissertação o artigo apresentado no SNEF-XXII-2017 em
São Carlos. Este artigo trás uma sequência de aulas potencialmente significativas,
procurando uma maneira alternativa de trabalho em sala de aula.
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Apêndice D
Painel apresentado no SNEF
Segue como parte da dissertação o Painel apresentado no SNEF-XXII-2017 em
São Carlos. Este painel trás um resumo da sequência de aulas potencialmente
significativas, trazendo uma maneira alternativa de trabalho em sala de aula.
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Apêndice E
Questões da avaliação somativa individual
1. Assinale a alternativa que verdadeira sobre sólidos condutores elétricos:
a) Os elétrons livres estão em movimento devido agitação térmica, mas com
movimentos ordenados e equilibrados no conjunto, constatando uma corrente
elétrica.
b) Apresentam elétrons livres, que podem se deslocar em movimentos que
depende da temperatura e de outras condições físicas da estrutura a que
pertencem. Quando tal substância for submetida a um campo elétrico, os
elétrons se movem formando uma corrente elétrica.
c) Apresentam elétrons ligados, que podem se deslocar em movimentos que não
dependam da temperatura e de outras condições físicas da estrutura a que
pertencem. Quando tal substância for submetida a um campo elétrico, os
elétrons não se movem formando uma corrente elétrica.
d) Estes materiais possuem elétrons livres que, que podem se deslocar em
movimentos que não depende da temperatura e nem de outras condições físicas
da estrutura a que pertencem. Os elétrons livres estão em movimento devido
agitação térmica, mas com movimentos desordenados e equilibrados no
conjunto, constatando uma corrente elétrica.
e) Estes materiais possuem elétrons livres que, estão sempre em movimento devido
agitação térmica, constatando uma corrente elétrica. Se a substância for
submetida a um campo elétrico, os elétrons não se movem para formar uma
corrente elétrica.
148
2. Sobre materiais isolantes assinale a alternativa correta:
a) Os elétrons que formam esses materiais não têm facilidade de
movimentação, tendo em vista a forte ligação entre eles e o núcleo atômico.
b) Os elétrons que formam esses materiais possuem uma facilidade de
movimentação, devida fraca ligação entre eles e o núcleo atômico.
c) Os corpos considerados isolantes elétricos possuem excesso de elétrons em sua
camada de valência, que é a última camada a receber elétrons em um átomo.
d) Os elétrons presentes na camada de valência de um isolante são denominados de
elétrons livres, e a força de atração entre eles e o núcleo atômico é pequena.
e) Os elétrons presentes na camada de valência de materiais isolantes possuem
facilidade de se movimentar pelo material.
3. Sobre semicondutores assinale a afirmação falsa.
a) Os materiais denominados de semicondutores possuem propriedades elétricas
intermediárias entre condutores e isolantes.
b) As condições físicas às quais o material é submetido determinam se ele se
comportará como condutor ou como um isolante.
c) Esses materiais são largamente utilizados pela indústria de eletrônicos para a
composição de circuitos.
d) Materiais denominados semicondutores possuem propriedades elétricas
como os condutores, possuindo uma banda de energia de valor muito alto.
e) O silício e o germânio são exemplos de materiais com essa característica.
149
4. As propriedades elétricas de um material dependem da configuração de suas
bandas de energia e do tamanho da banda proibida, sendo esta banda a diferença
de energia que há entre a banda de valência e da banda de condução.
Diante da afirmação acima associe as colunas abaixo e assinale a alternativa
correta.
(1) Condutor
(2) Isolante
(3) Semicondutor
(I) O nível proibido é grande demais
para ser transposto.
(II) Observa-se a superposição de
bandas de energia.
(III) Na temperatura de 0 K a banda de
energia repleta com elétrons mais alta é
chamada de banda de valência e a
próxima banda é chamada de banda de
condução.
a) 1-I; 2-II; 3-III
b) 1-I; 2-III; 3-II
c) 1-III; 2-II; 3-I
d) 1-II; 2-III; 3-I
e) 1-II; 2-I; 3-III
5. Sobre banda proibida assinale a alternativa correta.
a) A banda proibida é a região chamada de banda de valência.
b) A banda proibida é a região onde se forma a corrente elétrica sem a ação de um
campo elétrico.
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c) A banda proibida é a região localizada entre as bandas de valência do
átomo, e a banda de condução.
d) A banda proibida é a região chamada banda de condução.
e) A banda proibida é a região chamada de valência do átomo, onde há formação
de corrente elétrica.
6. Diante das afirmações abaixo assinale verdadeiro ou falso.
v. A condutividade de um material pode ser aumentada através da adição de
imperfeições eletrônicas, gerando assim a chamada condutividade extrínseca, ou
semicondução, que pode ser do tipo p ou do tipo n.
vi. A condutividade de um material pode ser aumentada através da adição de
imperfeições eletrônicas, gerando assim a chamada condutividade intrínseca, ou
semicondução, que pode ser do tipo p ou do tipo n.
vii. Condutividade extrínseca é o resultado de pequenos deslocamentos eletrônicos,
nas estruturas cristalinas em determinados materiais considerados puros em
termos de sua composição química.
viii. Condutividade Intrínseca é o resultado de pequenos deslocamentos eletrônicos,
nas estruturas cristalinas em determinados materiais considerados puros em
termos de sua composição química.
a) F,V,V,F.
b) V,F,F,V.
c) V,F,V,V.
d) F,F,F,V.
e) V,V,F,V.
151
7. (Cefet-PR) Um dos grandes mistérios que a natureza propiciava à espécie
humana era a luz. Durante dezenas de milhares de anos a nossa espécie só pôde
contar com este ente misterioso por meio de fogueiras, queima de óleo em
lamparinas, gordura animal, algumas resinas vegetais etc. Somente a partir da
revolução industrial é que se pôde contar com produtos como querosene,
terebintina e outras substâncias. Mas, mesmo assim, a natureza da luz
permanecia um grande mistério, ou seja, qual fenômeno físico ou químico gera
luz. Somente a partir das primeiras décadas do século XX é que Niels Bohr
propôs uma explicação razoável sobre a emissão luminosa. Com base no texto,
qual alternativa expõe o postulado de Bohr que esclarece a emissão luminosa?
a) Os elétrons movem-se em níveis bem definidos de energia, que são denominados
níveis estacionários.
b) Ao receber uma quantidade bem definida de energia, um elétron “salta” de um nível
mais externo para um nível mais interno.
c) Um elétron que ocupa um nível mais externo “pula” para um nível mais interno,
liberando uma quantidade bem definida de energia.
d) Quanto mais próximo do núcleo estiver um elétron, mais energia ele pode emitir na
forma de luz; quanto mais distante do núcleo estiver um elétron, menos energia ele pode
emitir.
e) Ao se mover em um nível de energia definida, um elétron libera energia na forma de
luz visível.
8. (UFJF-MG) A figura ao lado mostra os níveis de energia do átomo de
hidrogênio. Se inicialmente o elétron está no estado quântico fundamental (de
menor energia), qual a sua energia cinética após o átomo ter sido ionizado por
um fóton de energia 20 eV?
a) 33,6 eV
b) 13,6 eV
152
c) 6,4 eV
d) 10,2 eV
e) 3,2 eV
9. Um fóton emitido por um Led possui uma energia de 2,08 eV. Dado a Constante
de Planck h = 4,0.10-15
eV.s, determine a cor emitida.
a) Anil
b) Azul
c) Verde
d) Amarela
e) Vermelha
10. Para que possamos ligar sem queimar um Led branco de tensão máxima de 3V a
uma bateria de tensão 9V, devemos ligar em serie uma resistência elétrica de
quantos ohms? (corrente máxima suportada pelo Led i = 0,02A)
a) 300
b) 330
c) 340
d) 350
e) 380
153
Referências Bibliográficas
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Invertida - uma metodologia ativa de aprendizagem; Tradução Afonso Celço da Cunha
Serra. – 1 ed. – [Reimpr.]. – Rio de Janeiro: LTC, 2016
[BRASIL, 2000] MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO. Secretaria de Educação Média e
Tecnológica. Parâmetros Curriculares Nacionais: Ensino Médio (PCNEM). Parte III -
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2000. 58p.
[BRASIL, 2002] Ministério da Educação. Secretaria da Educação Média e Tecnológica.
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