FICHA PARA CATÁLOGO

PRODUÇÃO DIDÁTICO PEDAGÓGICA

Título: O ensino da eletricidade, desenvolvido através de experiências e elaboração de

experimentos construídos com material de baixo custo.

Autor Elisabete Dall Bello

Escola de Atuação Colégio Estadual Humberto de Campos. E.F.M.P.

Município da escola Santo Antonio do Sudoeste

Núcleo Regional de

Educação

Francisco Beltrão

Orientador Profª. Drª. Célia Kimie Matsuda

Instituição de Ensino

Superior

Universidade Estadual do Oeste do Paraná –

UNICENTRO.

Disciplina/Área (entrada no

PDE)

Física

Produção Didático-

pedagógica

Unidade Didática.

Relação Interdisciplinar

Público Alvo

Alunos das 3as Séries do Ensino Médio ( Matutino)

Localização

Colégio Estadual Humberto de Campos.

EFMP.localizado na rua Presidente Vargas nº 143

Centro, Santo Antonio do Sudoeste , Paraná.

Apresentação:

O presente trabalho é um projeto de intervenção

pedagógica nas 3as séries do Ensino Médio do Colégio

Estadual Humberto de Campos durante o segundo

semestre do ano de 2011. Integrado ao Programa de

Desenvolvimento Educacional - PDE ano 2011, da

Secretária de Estado da Educação do Paraná em

parceria com Universidade Estadual de Guarapuava –

UNICENTRO, tem como objetivo à utilização de

atividades experimentais elaborados com material de

baixo custo como forma de amenizar as dificuldades no

ensino-aprendizagem e dinamizando as aulas de física.

Inicialmente será elaborada uma seqüência didática de

experimentos relacionados com a eletricidade. Em

seguida serão feitos grupos quer receberão temas

definidos pelo professor. A partir disso cada grupo

deverá desenvolver seu trabalho fundamentado em

atividades experimentais construindo seu próprio

experimento com materiais de baixo custo buscando

subsídios em livros, revistas, jornais, internet e nas

atividades do seu dia-a-dia onde observam que a física

está mais presente. Durante o desenvolvimento da

atividade o professor orientará os alunos a questionarem,

investigarem e refletirem sobre o que estão fazendo de

forma que os mesmos levantem hipóteses e cheguem a

conclusões que deverão ser apresentadas para a turma.

Palavras-chave Atividades experimentais, Ensino de Eletricidade,

Laboratório Didático.

PARANÁ

GOVERNO DO ESTADO

SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO – SEED

SUPERINTENDENCIA DA EDUCAÇÃO – SUED

DIRETORIA DE POLÍTICAS E PROGRAMAS EDUCACIONAIS – DPPE

PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL – PDE

Unidade Didática

Produçao Didático – Pedagógica

“O ENSINO DA ELETRICIDADE, DESENVOLVIDO ATRAVÉS DE

EXPERIÊNCIAS COM MATERIAL DE BAIXO CUSTO.”

Santo Antonio do Sudoeste, PR.

Agosto 2011

PARANÁ

GOVERNO DO ESTADO

SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO – SEED

SUPERINTENDENCIA DA EDUCAÇÃO – SUED

DIRETORIA DE POLÍTICAS E PROGRAMAS EDUCACIONAIS – DPPE

PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL – PDE

Produçao Didático – Pedagógica

O ENSINO DA ELETRICIDADE, DESENVOLVIDO ATRAVÉS DE

EXPERIÊNCIAS COM MATERIAL DE BAIXO CUSTO.

Professora PDE: Elisabete Dall Bello

Professora Orientadora IES: Drª.Celia Kimie Matsuda.

Santo Antonio do Sudoeste – PR

Agosto 2011

PRODUÇÃO DIDÁTICO-PEDAGÓGICA

IDENTIFICAÇÃO

Professora PDE: Elisabete Dall Bello

Área: Física

NRE: Francisco Beltrão

Professora Orientadora: Profª. Drª. Celia Kimie Matsuda

IES Vinculada: Universidade Estadual do Oeste do Paraná – UNICENTRO

Escola de Implementação: Colégio Estadual Humberto de Campos – Ensino

Fundamental, Médio e Profissional – Santo Antonio do Sudoeste.

Público Objeto da Intervenção: Alunos das 3as Séries do Ensino Médio (Matutino)

TEMA: A tecnologia digital e de informação no ensino da Física.

TÍTULO: O ensino da eletricidade, desenvolvido através de experiências com

material de baixo custo.

PRODUÇÃO DIDÁTICA

A eletricidade é fundamental para a sobrevivência e desenvolvimento da

sociedade, contudo, nem sempre os alunos percebem que os conceitos físicos estão

diretamente relacionados com o funcionamento de alguns aparelhos como

computadores, celulares, fogões, chuveiros, entre outros. Nesse contexto, um dos

maiores desafios dos professores é descobrir formas de demonstrar ao aluno essa

ligação.

Em um dos seus trabalhos, Alves e Stachak (2005) obtiveram resultados

satisfatórios em escolas públicas desenvolvendo-se um trabalho no qual consiste na

construção de experimentos de física em sala de aula; desta forma, propõe-se nesse

trabalho o ensino da eletricidade por meio de atividades experimentais com

materiais de baixo custo.

Inicialmente serão expostos aos alunos por meio de textos e figuras,

conceitos e considerações importantes apresentadas por diversos autores sobre a

eletricidade. Seqüencialmente cada grupo receberá uma atividade experimental, que

será desenvolvida a partir do incentivo e orientação do educador. Por fim os

resultados, análises e dificuldades encontradas durante os procedimentos deverão

ser apresentados por meio das tecnologias digitais disponíveis aos colegas, para

discussões e avaliação final do professor.

1. ELETRIZAÇÃO, FORÇA ELÉTRICA

1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO

O filósofo grego Tales de Mileto, teria sido o responsável pelas primeiras

observações dos fenômenos elétricos, a partir da observação feita quando um

pedaço de resina vegetal (âmbar) era atritado a algum tecido e posteriormente atraia

fragmentos leves. (PENTEADO e TORRES, 2005, p. 3)

O francës Du Fay, após o resultado da experiência em atritar o âmbar a

um pedaço de lã, chamou a eletricidade do vidro de vítrea e as demais substâncias

de eletricidade resinosa e foi Benjamim Franklin, que as nomeou de positiva a

eletricidade vítrea e a negativa a resinosa. (SAMPAIO e CALÇADA, 2003, p. 265).

Todavia, somente com descoberta do elétron, em 1887, e o entendimento

sobre átomo, no final do século XX, é que todo esse processo de eletrização dos

corpos foi explicado. (PENTEADO e TORRES, 2005, p. 5)

1.2. ELETRIZAÇÃO

Como visto, a eletricidade, como ciência, surgiu da propriedade

apresentada pelo âmbar (em grego “elektron”) de atrair objetos leves após ser

pressionado a um pedaço de lã ou pele animal e para melhor entendimento desse

processo segundo Gaspar (2007, p. 404) é necessário conhecer a estrutura

elementar da matéria.

A matéria é constituída por pequenas partículas, os átomos que por sua

vez possuem o núcleo e a eletrosfera. No núcleo encontram-se os prótons e os

nêutrons e na eletrosfera, circulando em diferentes órbitas os elétrons, conforme

figura 1. (BONJORNO e CLINTON, 1992, p. 10).

Figura 1: Modelo atômico planetário de Rutherford – Bohr

(http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u54.jhtm)

Nesse modelo planetário do átomo, chegou-se a conclusão que os

prótons se repelem assim como os elétrons, todavia há atração entre prótons e

elétrons. Como forma de explicar esses fatos estabeleceu-se a essas partículas

elementares propriedades físicas denominadas cargas elétricas e por convecção

adotou-se aos os prótons carga elétrica positiva, aos elétrons carga elétrica negativa

e os nêutrons ficaram sem carga elétrica (RAMALHO JÚNIOR, FERRARO e

SOARES, 1999, p.3).

Assim pode-se afirmar que materiais com carga elétrica do mesmo tipo se

repelem e com cargas elétricas diferentes se atraem. Enunciado denominado como

o princípio da atração e repulsão e medidas por Charles Augustin Coulomb (1736 –

1806). Segundo Ramalho Júnior, Ferraro e Soares (1999, p.1700), ao se considerar

duas cargas pontuais e , separadas no vácuo por uma distância d, há a

presença de uma força, no qual, experimentalmente Coulomb chegou ao seguinte

enunciado: “A intensidade da força de ação mútua entre duas cargas elétricas

puntiformes é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos das cargas

e inversamente proporcional da distancia que as separa.”

Esse enunciado pode ser expresso matematicamente por: ,

onde k é uma constante de proporcionalidade (constante eletrostática) que depende

do meio onde estão às cargas e do sistema envolvido, no vácuo tem como valor

.

Nesse contexto Tipler e Mosca (2006, p.3) quantificam a carga elétrica

por meio da expressão Q= ±Ne, onde N é um número inteiro. Segundo os autores a

quantidade de prótons no núcleo é representada pelo número atômico Z do

elemento e no entorno do núcleo existe a mesma quantidade de elétrons com carga

negativa, anulando a carga resultante do átomo. Dessa forma a carga elétrica é

denominada unidade fundamental de carga elétrica, representada pela letra e, sendo

a carga do próton e, e a do elétron –e.

A unidade de carga elétrica no Sistema Internacional é o Coulomb (C),

homenagem feita a Charles Augustin Coulomb, e experimentalmente tem como valor

e= 1,6. 10-19C. (SAMPAIO e CALÇADA, 2003, p. 270)

Para ocorrer à eletrização de um corpo, conforme Gaspar (2007, p. 405),

é necessário que haja um desequilíbrio entre o número de prótons e elétrons de um

átomo, ocasionados pelos processos de atrito, contato ou indução eletrostática.

1.2.1. Eletrização por contato

Quando dois corpos são encostados pode haver passagem de elétrons de

um para o outro, por exemplo, se um corpo eletrizado positivamente (falta de

elétrons) encostar-se em outro corpo neutro, parte de seus elétrons passará para

este que também ficará eletrizado positivamente. Da mesma forma aconteceria se o

corpo estivesse com carga negativa, como mostra a figura 2, (PENTEADO e

TORRES, 2005, p. 9).

Figura 2: Eletrização por contato (http://www.tobiasespinosa.com/2011/01/eletrizacao.html)

Os mesmos autores ainda apresentam o enunciado do principio da

conservação das cargas elétricas que diz: “É constante a soma algébrica das

cargas elétricas positivas e das cargas elétricas negativas, supondo estar o sistema

eletricamente isolado”. Para exemplificar admitem-se duas esferas com quantidade

, quando acontecer o contato entre elas, as novas quantidades de cargas

serão respectivamente , ou seja: =constante.

1.2.2. Eletrização por atrito

A eletrização por atrito se dá entre materiais diferentes, eles se eletrizam

com cargas de sinais opostos, diferentes do processo anterior. Como exemplo pode

ser esfregado um vidro em um pano de lã (figura 3), onde o primeiro perderá

elétrons ficando eletrizado positivamente, enquanto a lã, negativamente (SAMPAIO

e CALÇADA, 2003, p. 271).

Figura 3: Eletrização por Atrito (http://www.tobiasespinosa.com/2011/01/eletrizacao.html)

1.2.3. Eletrização por indução

Sem que haja contato um corpo A, eletrizado positivamente (indutor), é

aproximado de outro condutor B (induzido) neutro e isolado; como o esquema

mostrado na figura 4 a. Alguns elétrons livres desse condutor são atraídos por A e

se acumulam na região de B mais próxima de A. A região mais afastada fica com

falta de elétrons, conforme figura 4 b, fenômeno denominado indução eletrostática.

Para obter no induzido uma eletrização com cargas de um só sinal, basta ligá-lo a

Terra, na presença do indutor, onde os elétrons livres do induzido, que estão sendo

afastados pela presença do indutor, escoam para a Terra (figura 4c). Desfazendo-se

esse contato e, logo após, afastando-se o bastão, o induzido ficará carregado com

cargas negativas, como mostra a figura 4c (RAMALHO JÚNIOR, FERRARO e

SOARES, 1999, p.11).

Figura 4. a) Aproximação dos corpos; b) Indução eletrostática; c) Ligação do induzido à terra, e escoamento dos elétrons pela mesma;d) Afasta-se o indutor e induzido eletriza-se negativamente.

(Modificado de: http://www.mundovestibular.com.br/articles/626/1/PROCESSOS-DE-ELETRIZACAO---A-LEI-DE-COULOMB/Paacutegina1.html)

Atividade proposta: Pesquisa, e escreva abaixo a definição de polarização elétrica,

explicando quando ela acontece e citando exemplos práticos.

1.2.4. Atividade experimental

Há aparelhos capazes de verificar se um corpo está ou não eletrizado, os

chamados eletroscópios. Com os materiais abaixo, dividam-se em grupos e façam

a montagem do pêndulo eletrostático, conforme figura 5.

Materiais necessários: 2 suportes de madeira ( 6 x 6 ) cm;

aproximadamente 50 cm de fio de nylon; 01 agulha fina; lã de ovelha; 30 cm de cano

PVC rígido ½”; 28 cm cano PVC rígido ½”; 50 cm de arame Ø de 1,5 mm de cobre; 2

bolinhas de isopor Ø( 0,5 – 1,0 cm); 1 parte superior de ampola de injeção e 1

borracha escolar.

Figura 5. Eletroscópio simples (Autora)

Após montagem, siga-as orientações abaixo. As respostas devem ser

entregues em forma de relatório contendo no máximo 10 linhas.

a) Atrite o cano de PVC na lã de orelha, e aproxime aos pêndulos. O que

ocorreu?

b) Volta-se a atritar o cano na lã de ovelha encostando-os nos dois

pêndulos. Aproxime lentamente os dois pêndulos até encostarem os fios

na parte superior e observe o que acontecem com as duas bolinhas. A

que conclusão pode-se chegar?

c) Em seguida pegue o cano atritado e coloque por baixo da bolinha do

pêndulo; Toque um estante à bolinha com o pendulo. O que aconteceu?

d) Movimente o cano, cuidando para não encostar a bolinha nele. Que efeito

produz?

e) Pegue o cano de PVC atrite-o, colocando sobre o suporte tendo o cuidado

de não tocar com a mão na parte atritada e em seguida atrite o cano

maior com a lã de ovelha e aproxime (sem encostar na parte atritada) do

cano suspenso, primeiro o pelego depois o cano maior. Quais os efeitos

observados?

Em casa, em grupos compostos por 04 alunos, pesquisem e construam o

eletroscópio de folhas. Sugere-se que inicialmente busquem os conceitos

envolvidos nesse experimento e posteriormente as melhores formas de executá-lo.

Deve ser exposto aos colegas na forma de apresentação (PowerPoint), na data

marcada, constando:

Objetivo do experimento;

Materiais utilizados;

Etapas da construção com fotos;

Explicação do fenômeno, de forma clara e objetiva;

Considerações sobre as dificuldades encontradas na montagem do

experimento, ou dúvidas no entendimento do processo;

Referências Bibliográficas.

Além disso, deverá ser entregue aos colegas, 05 questões retiradas de

vestibulares ou Enem, para resolução em sala de aula.

Como sugestão para montagem desse experimento, pode ser consultado

o site: http://pibiduel.wordpress.com/.

1.2.5. Sugestão de atividades teóricas

As atividades a seguir foram retiradas do livro didático do aluno,

selecionadas com intuito de fixar o conteúdo e testar o conhecimento de cada um.

1) (U.Uberaba-MG) Uma aluna de cabelos compridos, num dia bastante seco,

percebe que, depois de penteá-los, o pente utilizado atrai pedaços de papel. Isso

ocorre por que:

a) O pente se eletriza por atrito.

b) Os pedaços de papéis estavam eletrizados.

c) O papel é um bom condutor elétrico.

d) Há atração gravitacional entre o pente e os pedaços de papel.

e) O pente é um bom condutor elétrico.

2) (UFF-RJ) Três esferas condutoras idênticas I, II e III têm, respectivamente, as

seguintes cargas elétricas: 4.q ,-2.q e 3.q. A esfera I é colocada em contato com a

esfera II e, logo em seguida, é encostada á esfera III. Pode-se afirmar que a carga

final da esfera I será:

a) q c) 2.q e) 5.q

b) 3.q d) 4.q

3) (Cefet-PR) Três esferas, R, S e T, eletricamente isoladas ,são colocadas umas

próximas umas das outras. Quando isso ocorre, verifica-se que cada uma delas

atrai eletrostaticamente as outras duas. Qual das situações seguintes é

compatível com esse comportamento?

a) R é positiva; S é neutra e T é negativa.

b) R é positiva; S é negativa e T é positiva.

c) R é negativa; S é positiva e T é negativa.

d) R é neutra; S é negativa e T é negativa.

e) R é negativa; S é neutra e T é neutra.

4) (FAAP- SP) Duas cargas, q1 e q2, de mesmo sinal, estão fixas sobre uma reta e

distantes de 4m. Entre q1 e q2 é colocada outra carga q3, distante de 1 m de q1.

Sabendo que q1 = 5µC e q3 permanecem em equilíbrio, determine o valor de q2.

1.3. CONDUTORES E ISOLANTES

Os materiais que possuem elétrons livres e permitem a passagem de

carga elétrica através deles, como os metais são chamados bons condutores de

eletricidade. Por outro lado, os materiais que não possuem elétrons livres e

dificultam essa passagem são denominados isolantes elétricos ou dielétricos, é o

caso do vidro, do plástico, da borracha, entre outros (LUZ e ÁLVARO, 2003, p. 196).

2. CAMPO ELÉTRICO: COMPORTAMENTO DE UM CONDUTOR ELETRIZADO

2.1. O QUE É CAMPO ELÉTRICO

Tendo uma carga elétrica puntiforme Q, fixa em certa posição e

colocando outra carga de prova q num ponto do espaço em torno de Q, sabe-se que

em cada um desses pontos haverá uma força elétrica atuando em q. Assim pode-se

dizer que a carga Q origina ao seu redor um campo elétrico que age sobre q (LUZ e

ÁLVARO, 2003, p. 201).

Um exemplo prático: quando nos aproximamos de um computador ligado,

notaremos que nossos pelos ficam arrepiados, mostrando que as cargas elétricas

do computador geram um campo elétrico.

O campo elétrico, segundo Sampaio e Calçada (2003, p. 281) tem

intensidade, direção e sentido. Para representar esses dois últimos são usados: o

vetor ou as linhas orientadas, chamadas linhas de força. Por convenção adota-se

para carga elétrica positiva, campo de afastamento; e para carga elétrica negativa

campos de aproximação, conforme figura 6a) e 6b).

Figura 6. a) Campo de afastamento; b) Campo de aproximação (Modificado de: Sampaio e Calçada, 2003, p. 282)

Vários autores como, Bonjorno et al. (2005), Ramalho Júnior, Ferraro e

Soares (1999), Sampaio e Calçada (2003) apresentam as seguintes relações sobre

o vetor campo elétrico :

Intensidade: dada por . Unidade de medida no SI: =

Direção: mesma direção que .

Sentido: Se q > 0, e tem o mesmo sentido; se q< 0, e tem sentido

opostos.

2.2. CAMPO ELÉTRICO DE UMA CARGA PUNTIFORME FIXA

Diante dos conceitos apresentados sobre campo elétrico, é o possível

demonstrar de acordo com Sampaio e Calçada (2003, p. 283) que num ponto

qualquer P o módulo campo elétrico gerado por uma carga elétrica puntiforme Q,

imersa no vácuo é dada pela expressão: , conforme figura 7 e que o

campo elétrico “diminui” de acordo que a distância entre eles vai aumentando.

Figura 7. Campo elétrico de uma carga puntiforme fixa

(Modificado de: Sampaio e Calçada, 2003, p. 199)

Atividade proposta: Pesquise sobre a blindagem eletrostática. Escreva abaixo

rapidamente qual a relação com o que estamos estudando. Na próxima aula, será

discutido como forma de fixação e aplicação prática desse assunto.

2.3. POTENCIAL ELÉTRICO

2.3.1. Conceito de tensão elétrica ou diferença de potencial (ddp)

Em um campo elétrico uniforme de intensidade , composto por duas

placas planas e paralelas, com cargas + Q e –Q, considerando uma força elétrica

constante sobre uma carga de prova positiva em A que provoque um deslocamento,

ou seja, realiza um trabalho (ϐ), tem-se: , conforme figura 8. Como a força

tem intensidade é , substituindo-a na expressão anterior temos (1).

Sendo a diferença de potencial (ddp) igual (2), pode-se escrever que a

tensão elétrica entre os pontos A e B é: e substituindo (2) em (1), obtém-se:

. No SI, a unidade de tensão elétrica é o , conhecida como volt

(V). Cabe ressaltar que essa relação não é válida para cargas pontuais e nem

condutores esféricos (PENTEADO e TORRES, 2005, p.23 e 24).

Figura 8. Representação do deslocamento da carga de prova q em um campo elétrico uniforme .

(Modificado de: PENTEADO e TORRES, 2005, p.23)

2.3.2. Potencial elétrico no campo de uma carga pontual

De acordo com Sampaio e Calçada (2003, p.283) uma carga elétrica

puntiforme Q, fixa e no vácuo gera um campo elétrico sobre dois pontos um ponto P,

distante d dessa carga. Por definição matemática: e ,

substituindo chega-se no potencial elétrico V que é igual: , tem como

unidade de medida no SI volt (V).

É importante lembrar: se Q>0 V>0 e se Q<0 V<0.

Atividade proposta: Observando figura 9, explique e relacione com o assunto

estudado o funcionamento de uma pilha comum (gerador).

Figura 9. Funcionamento de uma pilha comum. (Angélico, 2011, p.17)

3. CORRENTE ELÉTRICA

3.1. DEFINIÇÃO

Nos condutores metálicos há um grande número de elétrons livres

desordenados (figura 10a). Conforme Bonjorno et al. (2005, p. 519), para que esses

elétrons consigam um movimento ordenado, deve ser estabelecido entre dois pontos

uma diferença de potencial, de forma a criar no seu interior um campo elétrico

(figura 10b). Como já visto, esse campo exerce uma força que “empurra” esses

elétrons no sentido oposto ao campo elétrico (partindo do exemplo que e carga q é

negativa e ). A esse movimento dos ordenados dos elétrons, denomina-se

corrente elétrica e para instituí-la num fio condutor é usado um gerador, por

exemplo, pilha, bateria, entre outros.

Figura 10. Representação esquemática do movimento dos elétrons em fio metálico: a) movimento

caótico dos elétrons; b) movimento ordenado dos elétrons. (Modificado de: http://www.colegioweb.com.br/fisica/eletrodinamica-e-corrente-eletrica.html).

ATIVIDADE PROPOSTA: Coloque pilhas gastas no congelador por 24 horas. Em

seguida coloque-as em qualquer aparelho e verifique o que aconteceu. Descreva

abaixo para posterior discussão em sala.

3.2. INTENSIDADE DA CORRENTE

Segundo Ramalho Júnior, Ferraro e Soares (1999, p.121) a intensidade

média de corrente elétrica no intervalo de tempo Δt pode ser definida a partir da

expressão: , onde Δq = ne = número de elétrons que atravessa a seção

transversal de um condutor metálico ligado a um gerador, em Δt. E há dois tipos de

corrente: contínua constante e alternada.

Para eles toda corrente de sentido e intensidade constante em qualquer

intervalo de tempo é chamada corrente contínua constante, ou seja, im=i, e tem-se

como exemplo a pilha. Por outro lado a corrente alternada muda periodicamente de

intensidade e sentido, cita-se como exemplo as tomadas de 60 Hz (HZ= hertz =

ciclos/segundo).

A unidade de corrente no sistema internacional de unidade (SI) é o

ampère (A), e por convenção é considerada com fluxo igual da carga positiva

(sentido). Logo se conclui que os elétrons se movem com direção contrária a

corrente. (TIPLER e MOSCA, 2006, p. 145)

Para medir a intensidade da corrente elétrica que passa pelo fio usa-se

um aparelho denominado amperímetro (figura 11a). Tem como símbolo a figura 11b.

(SAMPAIO e CALÇADA, 2003, p.305)

Figura 11: a) Circuito com amperímetro; b) símbolo.

(http://oficina.cienciaviva.pt/~pv0625/intensidade_campos_magneticos_2.htm)

ATIVIDADE PROPOSTA: Ao percorrer um condutor, a corrente elétrica pode

produzir vários efeitos. Pesquise e explique-os abaixo.

3.3. CIRCUITO ELÉTRICO

Bonjorno et al. (2005, p.522) circuito elétrico é “conjunto de caminhos que

permitem a passagem da corrente elétrica, no qual aparecem outros dispositivos

elétricos ligados a um gerador.” Quando esse caminho é único, o circuito é

chamado simples.

Compõem um circuito elétrico:

Gerador elétrico: aparelho que fornece energia aos elétrons para que

estes se movimentem, é composto por dois pólos ativos, sendo que um

deles tem maior potencial que o outro. Tem-se como exemplo, pilhas,

baterias, entre outros (SAMPAIO E CALÇADA, 2003, p. 307 e 308).

Dispositivo de manobra: elemento que acionam ou desligam um circuito

elétrico. Exemplos: chaves e interruptores (Bonjorno et al.,2005, p.522).

Receptor elétrico: De acordo com Bisquolo (2011), são elementos que

transformam energia elétrica em outra forma de energia (que não seja

exclusivamente térmica). Exemplos: motor elétrico, ventiladores,

liquidificadores, batedeiras.

Dispositivos de segurança: elementos que cortam a passagem da

corrente elétrica, quando esta for maior que a prevista, evitando dessa

forma a destruição do circuito. Exemplos: fusíveis e disjuntores (Bonjorno

et al.,2005, p.523).

Resistor elétrico: é todo elemento de circuito cuja função exclusiva é

transformar energia elétrica em térmica. Tem-se como exemplo ferro

elétrico, chuveiro elétrico, torneira de água quente, secador de cabelo,

entre outros (SAMPAIO E CALÇADA, 2003, p. 312).

Dispositivos de controle: medem a intensidade da corrente elétrica e a

ddp existente entre dois pontos. São eles: amperímetro, voltímetro,

galvanômetro, entre outros (Bonjorno et al.,2005, p.523).

3.3.1. Atividade Experimental

Em grupos formados por 04 alunos, pesquisem e construam um circuito

elétrico simples, conforme figura 12. O objetivo desse experimento é que você

aluno identifique os elementos de um circuito elétrico simples e os materiais que são

bons e maus condutores.

Materiais necessários: 2 metros de fio elétrico flexível, duplo Ø1mm ( nº

18); duas canetas de plástico secas ( bic ou similar); 40 cm de fio elétrico ( cobre

nº16) rígido Ø1mm ; 01 tábua (15 x 20 x 2 ) cm; 01 lâmpada de 40 W com suporte e

01 tomada.

Figura 12. Circuito elétrico simples (autora)

De acordo com o procedimento executivo escolhido, monte uma

apresentação (PowerPoint) para os colegas e professor, constando:

Etapas da construção com fotos;

Explicação do fenômeno, de forma clara e objetiva;

Considerações sobre as dificuldades encontradas na montagem do

experimento, ou dúvidas no entendimento do processo;

Referências Bibliográficas.

3.3.2. Atividade Experimental

Com o objetivo de identificar bons e maus condutores líquidos, separe nos

5 copos plásticos entregues pelo professor ¾ de água. Ligue na tomada o aparelho

da experiência anterior e introduza os fios no copo de água. Responda: O que

aconteceu? A água é boa ou má condutora de eletricidade?

Desligue o aparelho, seque as pontas dos fios. Agora com o sal. Coloque

as extremidades dos fios sobre o sal. O que aconteceu? Por quê?

Num copo de água, com as pontas dos fios limpas, acrescente calmamente

o sal. Acontece algo diferente? Explique.

Faça isso com vinagre, açúcar, laranja e limão, e apresente em forma de

relatório as respostas e observações realizadas.

4. RESISTÊNCIA ELÉTRICA

4.1. RESISTORES E 1ªLEI DE OHM

De acordo com Penteado e Torres (2005, p. 42):

“A existência de uma estrutura cristalina nos condutores que a corrente elétrica percorre faz com que pelo menos uma parte da energia elétrica se transforme em energia térmica. Realmente as partículas em movimento chocam-se contra os átomos constituintes do fio. Daí vem a idéia de que o material do fio condutor oferece uma certa resistência à passagem da corrente elétrica.”

Essa resistência é medida pela grandeza chamada resistência elétrica.

Assim, examinando um condutor AB, percorrido por uma corrente i, após se aplicado

uma diferença de potencial VAB (conforme figura 13) tem-se: Resistência elétrica =

, isto é: . Quando é aplicada a mesma voltagem a

diversos condutores, aquele que tiver a resistência elétrica maior será percorrido

pela menor corrente (MÁXIMO e ALVARENGA, 2003, p. 212).

Figura 13. Resistor mantido em temperatura constante

(Modificado de: RAMALHO JÚNIOR, FERRARO e SOARES, 1999, p.136)

A unidade de resistência elétrica no SI é o ohm Ω= , ou seja: 1 ohm é a

resistência que um resistor, submetido à ddp de 1v, impõe à passagem de uma

corrente 1A. Para medi-la é usado o ohmímetro (BONJORNO et al., 2005, p. 527).

A resistência elétrica, de acordo com Ramalho Júnior, Ferraro e Soares

(1999, p. 137) não depende da ddp aplicada ao resistor nem da corrente que o

percorre, mas sim do tipo de condutor e sua temperatura. Logo a fórmula, explicada

anteriormente traduz a 1ª Lei de Ohm que tem como enunciado: “O

quociente da ddp nos terminais de um resistor pela intensidade de corrente que o

atravessa é constante e igual à resistência elétrica do resistor”.

Os materiais que obedecem ao enunciado acima são considerados

materias ôhmicos. Aqueles que a resistência depende da corrente I (V é

proporcional a I) são chamados não ôhmicos. Os gráficos mostrando a relação entre

essas duas variáveis podem ser observados na figura 14 (TIPLER e MOSCA, 2006,

p.149).

Figura 14. Gráficos da corrente I em função da tensão V para materiais a) ôhmicos e b) não-ôhmicos (Tipler e Mosca, 2006, p. 149).

O símbolo de resistores é demonstrado na figura 15. E os tipos mais

usuais empregados nos circuitos elétricos são o resistor de fio e o de carvão. O

primeiro é um pedaço de fio, geralmente de ligas metálicas e por haver a

necessidade de uma grande quantidade para conseguir uma resistência

considerável são utilizados enrolados sobre um suporte isolante, é o caso da

lâmpada incandescente comum. O resistor de carvão consta de um suporte isolante

coberto de fina cama de carvão com dois terminais metálicos e são utilizados em

circuitos de rádios e televisões, pois, se consegue grandes resistências em

pequenas dimensões (RAMALHO JÚNIOR, FERRARO e SOARES, 1999, p. 147).

Figura 15. Representação de um resistor em circuitos elétricos (RAMALHO JÚNIOR, FERRARO e SOARES, 1999, p. 137)

4.2. 2ª LEI DE OHM

De acordo com Bonjorno et al. (2005, p. 529), Ohm verificou quem em

determinada temperatura a resistência do resistor R é:

Diretamente proporcional ao seu comprimento, ou seja, quanto maior seu

comprimento também maior será sua resistência;

Inversamente proporcional à área de sua secção, ou seja, quanto maior a

espessura do resistor, menor será sua resistência.

Diante disso, tem-se a 2ª Lei de Ohm escrita pela expressão: ,

onde ρ é o coeficiente de proporcionalidade, chamado de resistividade elétrica do

material que constitui o resistor, que tem como unidade Ωm. Logo, quanto menor a

resistividade de um material, menor sua resistência elétrica.

4.3. EFEITO JOULE

O fenômeno que acontece quando uma corrente elétrica, passa em uma

resistência e ela se aquece é chamado de efeito Joule. Assim:

“A potência térmica desenvolvida em virtude do efeito Joule em uma resistência R, percorrida por uma corrente i e submetida a uma voltagem

VAB, é dada pelas expressões: ou .” (MÁXIMO e

ALVARENGA, 2003, p. 222).

Atividade proposta: Escreva abaixo aplicações do efeito joule e explique o que são

fusíveis.

4.4. ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES

Existem dois tipos de associações de resistores: em série e em paralelo.

Nos casos em que a associação pode se substituída por um único resistor, esse

resistor recebe o nome de e resistor equivalente, conforme figura 16 (RAMALHO

JÚNIOR, FERRARO e SOARES, 1999, p. 158).

Figura 16. Resistência equivalente.

(Modificado de: http://www.fisicaevestibular.com.br/eletrodinamica5.htm)

Por definição essa resistência por se calculada pela expressão:

, ou seja, (CALÇADA e SAMPAIO, 2003, p.316).

4.1. ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE

De acordo com Penteado e Torres (2005, p. 49), os resistores podem ser

considerados em série quando estão ligados de forma que oferecem apenas um

caminho para o mesmo tipo de corrente elétrica, conforme figura 17. Assim

aplicando a lei de Ohm tem-se: . Se a associação for constituída

por resistores iguais, com resistência elétrica r, a resistência equivalente pode ser

dada pela expressão: .

Figura 17. Associação de três resistores em série e o resistor equivalente. (Penteado e Torres, 2005, p. 49)

Os autores ainda fazem as seguintes considerações:

Como a intensidade i é a mesma em todos os resistores, a potência

elétrica dissipada e a ddp são diretamente proporcionais à resistência

elétrica dos resistores ( e );

Nesse tipo de associação se um resistor foi suprimido, deixará de passar

corrente elétrica para os demais;

De acordo que se associam resistores em série, a intensidade da corrente

vai diminuindo, pois a resistência elétrica vai aumentando;

Os elementos do circuito amperímetro e fusível devem ser associados em

série.

4.2. ASSOCIAÇÃO EM PARALELO

De acordo com Bonjorno et al. (2005, p. 540) “quando dois ou mais

resistores estão ligados por meio de dois pontos em comum no circuito,

possibilitando caminhos separados para a corrente, temos um circuito em paralelo.”

Conforme pode ser observado na figura 18.

Aplicando a 1ª Lei de Ohm, tem-se como resistência equivalente:

e característica: que a tensão U é a mesma em todos os resistores,

porém a corrente se dá pela expressão: . Além disso, diferente da

associação em série, a resistência do resistor equivalente de se dá: e a

resistência do resistor equivalente de resistores R, iguais: .

Figura 18. Associação em paralelo.

(Modificado de: Bonjorno et al. , 2005, p. 540)

4.3. ATIVIDADES

4.3.1. Atividade experimental

Em grupos formados por 04 alunos; os mesmos deverão pesquisar e

construir um circuito elétrico, conforme figuras 19 a e b. O objetivo desse

experimento é mostrar a transformação de energia elétrica em luminosa, identificar

as três grandezas relacionadas com a corrente elétrica: intensidade, diferença de

potencial e resistência e por fim mostrar como acontecem as associações de

geradores ou lâmpadas em série e em paralelo.

Materiais necessários: 01 tábua (25 x 15 x 1,5 cm); 1 m de fita de lata de

encaixotar (podem ser pedaços) ou chapa de zinco (300 cm2); 3 pilhas de lanterna;

1,5 m de fio elétrico nº 16( Ø 0,8mm ); 3 lâmpadas de 6 volts ou 3,8V com rosa (de

lanterna) e Cascola.

Figura 19. Circuito elétrico: a) associação em série; b) associação em paralelo. (Autora)

De acordo com o procedimento executivo escolhido, monte uma

apresentação (PowerPoint) para os colegas e professor, constando:

Etapas da construção com fotos;

Considerações sobre as dificuldades encontradas na montagem do

experimento, ou dúvidas no entendimento do processo;

Referências Bibliográficas.

4.3.2. Sugestão de atividades teóricas

As atividades a seguir foram retiradas do livro didático do aluno,

selecionadas com intuito de fixar o conteúdo e testar o conhecimento de cada um.

1 - (PUC-RIO 2010) Três resistores idênticos são colocados de tal modo que dois

estão em série entre si e ao mesmo tempo em paralelo com o terceiro resistor. Dado

que a resistência efetiva é de 2 Ω, quanto vale a resistência de cada um destes

resistores Ohms (Ω)?

a) 100 Ω

b) 30 Ω

c) 1 Ω

d) 10 Ω

e) 3 Ω

2- (PUC-RIO 2010) Calcule a resistência do circuito formado por 10 resistores de 10

kΩ, colocados todos em paralelo entre si, e em série com 2 resistores de 2 kΩ,

colocados em paralelo.

a) 1 kΩ,

b) 2 kΩ,

c) 5 kΩ,

d) 7 kΩ,

e) 9 kΩ,

3 - (PUC-PR) Um estudante de Física mede com um amperímetro a intensidade da

corrente elétrica que passa por um resistor e, usando um voltímetro, mede a tensão

elétrica entre as extremidades do resistor, obtendo o gráfico abaixo. Pode-se dizer

que a resistência do resistor vale:

a) 1Ω b) 10Ω c) 100Ω

d) 0,1Ω e) 0,01 Ω

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALVES, Vagner Camarini; STACHAK, Marilei. A importância de aulas experimentais no processo ensino-aprendizagem em física: “Eletricidade”. In: XVI SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA – SBF, 16, 2005, Rio de Janeiro. Anais...p. 1-4. Disponível em: <http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xvi/cd/resumos/T0219-3.pdf>. Acesso em 03 de novembro de 2011. ANGÉLICO, Paulo : Física 3: Ensino Médio. 2011: Londrina. BISQUOLO, Paulo Augusto. Receptores elétricos. 2011. Disponível em: <http://educacao.uol.com.br/fisica/receptores-eletricos-ventiladores-liquidificadores-e-batedeiras.jhtm>. Acesso em 30 de outubro de 2011. BONJORNO, José Roberto; CLINTON, Márcico Ramos. Física 3: eletricidade. São Paulo: FTD, 1992. 57 p. BONJORNO, José Roberto; BONJORNO, Regina Azenha; BONJORNO, Valter e CLINTON, Márcico Ramos. Física: história e cotidiano: ensino médio. 2ed. São Paulo: FTD, 2005. 672p. GASPAR, Alberto. Física Série Brasil - Ensino Médio. 1. ed. São Paulo: Editora Ática, 2007. 552 p. PENTEADO, Paulo Cesar M.; TORRES, Carlos Magno A. Física – Ciência e tecnologia. São Paulo: Moderna, 2005. v3 RAMALHO JÚNIOR, Francisco; FERRARO, Nicolau Gilberto e SOARES, Paulo Antonio de Toledo. Os fundamentos da física. 7.ed. rev. e ampl. São Paulo: Moderna, 1999. 482 p. SAMPAIO, José Luiz; CALÇADA, Caio Sérgio. Física. São Paulo: Atual, 2003. 128 p. (Coleção ensino médio Atual) TIPLER, Paul Allan; MOSCA, Gene. Física para cientistas e engenheiros, v.2: Eletricidade e Magnetismo, Ótica. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006.