Introdução saltamos que os objetivos principais des- A · zamos que ela não é um esquema elétrico, apenas indica de forma didática como fazer as ligações do produto. Para

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Introdução

Autilização consciente de energiaelétrica é uma questão em alta naatualidade, principalmente em um

momento em que as mudanças climáticasinfluenciam nossa principal fonte de gera-ção de energia elétrica, as usinas hidrelé-tricas [1]. Caminhando nesse sentido, noano de 2010 foi publicada a portaria inter-ministerial número 1007 [2], que exigemínima eficiência energética de lâmpadasincandescentes para sua comercialização.Com a concorrência de mercado, taislâmpadas foram sendo gradativamentesubstituídas por lâmpadas mais eficien-tes, por exemplo as fluorescentes compac-tas e as lâmpadas de LED (light emmitingdiode). Poderíamos então perguntar quaispropriedades físicas de uma lâmpada acaracterizariam como mais eficiente emrelação a outras. Este trabalho propõeuma resposta a esse questionamento,apresentando um luxímetro didático ecomparativo (LÚDICO). O aparato con-siste em um quadro capaz de coletar infor-mações como corrente e temperatura delâmpadas (incandescente, fluorescentecompacta e de LED), além de apresentartambém uma escalade LEDs, que estãodispostos com as co-res do espectro de fre-quência cada vezmais alta. Essa escalaindica o poder de ilu-minação das lâmpa-das que serão compa-radas. Os detalhes deconstrução e funcionamento de cada com-ponente do LÚDICO serão apresentadosao longo do trabalho.

Se por um lado o aparato comparalâmpadas, por outro apresentamos uminstrumento didático que pode ser utili-zado em sala de aula para a introduçãode diversos conceitos físicos distintos. Res-

saltamos que os objetivos principais des-te trabalho são mostrar como construiro produto, além de sugerir possíveis apli-cações em sala aula. Não é nosso foco aquidiscutir a eficácia para ensino-aprendiza-gem nem aprofundar em metodologiaspedagógicas.

A construção do instrumental

Nesta seção vamos detalhar o instru-mental, incluindo materiais, dispositivoseletrônicos e elétricos, materiais de fixaçãoe de segurança. Ela será dividida em duaspartes. Na primeira, exibiremos o exte-rior do produto; já na segunda, mostra-remos o interior do LÚDICO, com especi-ficações dos circuitos que o compõem e,sempre que necessário, detalhes da mon-tagem serão apresentados.

Exterior do LÚDICO

O instrumental foi projetado para serde fácil manuseio e transporte e de repro-dução simplificada. Dessa forma, o mes-mo foi construído com as característicasde um quadro de madeira (em forma demala) com as seguintes dimensões: 65 cmde largura, 48 cm de comprimento e 5 cmde altura. A madeira utilizada na fabri-

cação é do tipo MDF(Medium Density Fiber-board), material oriun-do de madeira e fabri-cado com resinas sin-téticas, nas espessurasde 6 mm para o tam-po, 9 mm para o fun-do e 15 mm para aslaterais.

Iniciamos o detalhamento com a par-te externa do quadro, conforme a Fig. 1.Ela foi enumerada com os diversos com-ponentes do produto, que passaremos adescrever.

1) Cabo de energia: é constituído deum fio paralelo, bitola 2,0 mm com apro-ximadamente 3 m de comprimento. Sua

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M.M. Lopim1,2,S.L. França1,2,M.F.S. da Costa1,2,B. Gonçalves2,B.F. Rizzuti1*

1Departamento de Física, UniversidadeFederal de Juiz de Fora, Juiz de Fora -MG, Brasil2Núcleo de Física, Laboratório deInovação Tecnológica, Instituto FederalSudeste de Minas Gerais, Juiz de Fora -MG, Brasil*E-mail: [email protected]

Apresentamos neste trabalho um luxímetrodidático e comparativo (LÚDICO), com opropósito de contrastar lâmpadas quanto à suaeficiência energética. O aparato coletainformações como temperatura e corrente delâmpadas em funcionamento, apresentandotambém uma escala de LEDs que retrata aeficiência luminosa destas. Além desse carátercomparativo, o LÚDICO mostra-se uminstrumento didático visualmente atrativo paraensino de diversos conceitos físicos.

LÚDICO - luxímetro didático comparativo

Quais propriedades físicas deuma lâmpada a caracterizariamcomo mais eficiente em relaçãoa outras? Este trabalho propõe

uma resposta a essequestionamento, apresentando

um luxímetro didático ecomparativo

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finalidade é alimentar o quadro com umatensão de 127 V.

2) Lâmpada piloto: lâmpada indica-dora de que o quadro está energizado epronto para ser utilizado.

3) Chave liga/desliga do quadro: mo-delo 13123 MFTFS1S, liga/desliga, tipotecla, 3 A da marca Margirius.

4) Escala de LEDs: escala compostade 68 LEDs de 5 mm e de alto brilho. OsLEDs são organizados por cores, de formaque a escala acende na sequência do es-pectro visível da luz. Os LEDs estão divi-didos em: 16 na cor vermelho, 8 na coralaranjado, 6 na cor amarelo, 14 na corverde, 10 na cor azul/branco, 10 na corazul e 4 na cor violeta. Os LEDs são ligadosem paralelo e em coluna dupla, ou seja,dois LEDs da mesma cor por linha.

5) Termômetro infravermelho e tubo:marca INSTRUTEMP, modelo ITTI 380. Otubo que envolve a boca do termômetronada mais é que uma embalagem cilín-drica de batata frita do tipo chips encon-trada no mercado. O referido tubo é reco-berto com fita isolante.

6) Multímetro: é do tipo digital, mar-ca CE e especificação DT9205A. O multí-metro é fixado por um suporte, apara-fusado na tampa do quadro.

7) Copo: o copo preto de PVC rígidoacompanha o produto. Sua finalidade,como detalharemos posteriormente, éproteger o usuário de luminosidade exces-siva, quando as lâmpadas estão acesas emconjunto.

8) Dimmer: marca Force Line, linharubi, branco, 127 V, potência 300 W combotão rotativo.

9) Conectores RCA: composto de caboflexível de 8 cm de comprimento na corpreta de bitola 2,5 mm, dois plugues RCAe respectivos soquetes.

10) Local de fixação das lâmpadas:conjunto constituído por um soquete deporcelana modelo E27, com acabamentofeito por um spot quadrado de aço esco-vado comumente utilizado em iluminação

de interiores. Os locais são em número detrês, um para receber a lâmpadaincandescente de 127 V e 60 W, outro paraa lâmpada fluorescente compacta de127 V e 9 W e outro para a lâmpada deLED 127 V e 2,2 W.

11) Chave liga/desliga da lâmpada:modelo KCD1-106 101, liga/desliga, tipotecla, 6 A da marca Margirius.

12) Cabo extensor: cabo em espiralpara telefone com a função de facilitar amobilidade do tubo equipado com sen-sores de LDR (light dependent resistor).

13) Tubo composto de sensores LDR:embalagem cilíndrica de batata frita dotipo chips encontrada no mercado. O refe-rido tubo também é, assim como o tubodo termômetro, recoberto com fita iso-lante e no seu interior (fundo) há um con-junto formado por sensores LDR, cujosdetalhes serão dados na próxima sub-seção.

14) Alça: fabricada em PVC rígidocom punho de 85 mm por 20 mm.

Além desses itens também são utili-zados parafusos, cola quente, fita isolantee materiais para fechamento e fixação dacaixa. Esta seção tem o objetivo de servircomo guia de montagem e é importantenotar que há liberdade no tamanho da

caixa, dos fios condutores e em todos ositens de acabamento. Já as quantidadesde componentes eletrônicos são exatas eindispensáveis para o bom funcionamentodo produto.

Interior do LÚDICO

O interior do produto é mostrado demaneira esquemática na Fig. 2. Enfati-zamos que ela não é um esquema elétrico,apenas indica de forma didática comofazer as ligações do produto. Para umarevisão pedagógica sobre ligações em série,em paralelo e mista, sugerimos ao leitora Ref. [3].

O cabo de energia alimenta as lâm-padas (incandescente, fluorescente e deLED), além de alimentar uma fonte LG 50/60 Hz, 100/240 V, 0,2 A, típica de telefo-nes celulares. A fonte, por sua vez, tam-bém tem dupla função. Ela alimenta tantoa lâmpada piloto, que aparece ao ladodireito da fonte na Fig. 2, quanto a escalade LEDs. Na Fig. 2, foram colocados so-mente 7 pares de LEDs, sendo que cadapar representa um grupo de cor, indo dovermelho ao violeta. Os LEDs são ligadosem paralelo com a fonte, todos sob a mes-ma tensão, com polaridade bem definida.Para evitar que os LEDs sejam danificados,cada um recebe um resistor de 820 Ω,representado por um pequeno retânguloconectado com o LED, conforme indica aFig. 2. O polo negativo da fonte é conec-tado em série com os sensores LDR, fe-chando o circuito. O último detalhetécnico relevante é a montagem dos LDR,conforme mostrado na Fig. 3. Nela pode-mos observar que 18 LDRs, modeloGL5528 [4], foram fixados na própriatampa do tubo de batata chips e ligadosem paralelo.

Funcionamento do produto

Descreveremos adiante o funciona-mento do produto. Ele pode ser entendido


Figura 1: Quadro montado com os componentes.

Figura 2: Esquema representativo do LÚDICO.


quando conhecemos como dois compo-nentes do circuito funcionam. São eles oLDR e o LED.

O LDR é um resistor que altera suaresistência quando iluminado, chegandoa variar a resistência da ordem de mega-ohms, quando o sensor está no escuro, aohms, quando é iluminado [4].

O LED é um diodo que emite luz e suasaplicações vão da formação de letras/nú-meros em placares digitais, passando pelailuminação de lares com baixo custo ener-gético e chegando até mesmo à transmis-são de dados com LEDs infravermelhos emcontroles remotos. Sua importância é tãofundamental para nosso mundo modernoque os idealizadores do LED azul foram lau-reados com o Nobel em 2014 [5]. Os LEDspossuem polarização, isto é, só acendemcom os polos positivos e negativos de umafonte conectados corretamente no diodo.Uma de suas propriedades mais notáveisé que eles precisam de um potencial mí-nimo para acender, fato este que só podeser explicado pela mecânica quântica [6].Como consequência disso, quando ali-mentamos um LED com uma fontevariável, ele apresenta resistência infinitaà passagem de corrente, até que se atinjao potencial mínimo para que ele acenda,quando então sua resistência fica próximado zero.

Com estas informações em mãos, jápodemos entender nosso “luxímetro qua-litativo” [7]. Conectamos a associação deLDRs em série com a fonte, gerando comisso uma bateria ruim, pois sua resistênciainterna é alta, ao ponto de que nenhumacorrente passe pelo circuito com os LEDse ainda não haja tensão mínima para acen-der nem mesmo o LED vermelho (dentreos LEDs de alto brilho utilizados, o ver-melho é o que necessita de menor tensãopara ser aceso. Curiosamente, quantomaior a frequência da cor emitida, maior

a tensão mínima para ser acesa). Essa si-tuação ocorre com o tubo coletor de ilu-minação totalmente no escuro. À medidaque o tubo é iluminado, seja por luz am-biente ou por alguma das lâmpadas,baixamos a resistência dos LDRs, fazendocom que nossa bateria melhore. A colo-cação de 18 LDRs no equipamento foiempiricamente deter-minada para que omesmo apresentassefuncionamento satis-fatório. Dessa manei-ra, podemos acessaras tensões necessáriaspara o acendimentoda escala de LEDs, quepor sua vez caracteri-za o poder de iluminação de cada lâmpada.O efeito de uma escala que acende naordem do espectro visível confere ao pro-duto um caráter visualmente atrativo.

Com a sequência de imagens nasFigs. 4 e 5, representamos simbolicamentesituações em que uma lâmpada é colocadasobre o LDR, acendendo somente atéo LED verde, passando pelo verme-lho, laranja e amarelo. Quando umalâmpada com maior poder de

iluminação é colocada, ele poderia, porexemplo, acender até o LED violeta (nestasfiguras, quanto mais longe do LDR está alâmpada acesa, menor é o seu poder deiluminação).Utilização

Inicialmente, pluga-se a tomada ane-xada ao LÚDICO no terminal de 127 V.As três lâmpadas – incandescente, fluo-rescente e de LED – são enroscadas nostrês bocais, sendo que a incandescente deveser ajustada sempre no bocal com o dim-mer. Liga-se a chave geral e a lâmpadapiloto acende, indicando que o quadro estáenergizado.

As lâmpadas fluorescente e de LED sãoacesas e cobertas com o copo preto; espe-ramos em torno de três minutos para queatinjam o equilíbrio térmico. Medimos en-tão a temperatura das duas lâmpadas como termômetro infravermelho. As respec-tivas correntes são ligadas com o amperí-metro, com fundo de escala de 20 mA eajustado para corrente alternada. Os fiosdo amperímetro são plugados nas entra-das RCA. Na sequência, o fotossensor,

composto pelos LDRs,deverá encobrir cadalâmpada acesa, deforma que sejam veri-ficadas no painel oacendimento e o bri-lho dos LEDs, queestão dispostos acen-dendo na mesmaordem das cores do es-

pectro eletromagnético visível.No terceiro bocal, os mesmos proce-

dimentos são realizados para a lâmpadaincandescente. Ela é deixada por últimodevido ao seu aquecimento, podendo atémesmo, por exemplo, derreter o copo pre-to. A diferença é que nessa etapa podemos


Figura 3: Placa composta de 18 sensores LDR ligados em paralelo para captação deluminosidade.

Figura 4: Acendimento dos LEDs com uma lâmpada com poder de iluminação médio.

O LED é um diodo que emite luze suas aplicações vão desde

placares digitais, passando pelailuminação de lares com baixocusto energético e chegando à

transmissão de dados com LEDsinfravermelhos em controles

remotos

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usar o dimmer para controlar o brilho dalâmpada e assim obter variações nos va-lores de corrente, temperatura e de coresde LEDs acesos. Para uma demonstraçãode utilização do LÚDICO, convidamos oleitor a assistir ao vídeo https://youtu.be/xZuHVwBLN2E.

Possíveis aplicações em sala deaula

Esta seção é dedicada a algumas su-gestões de aplicações do produto em salade aula. Serão apresentadas três ativida-des, nas próximas subseções.

Pela sua estrutura, o LÚDICO podepossibilitar a aquisição de diferentes habi-lidades e competências. Entre várias, po-demos destacar: aprender a fenomenologiada eletricidade em situações reais, como oreconhecimento de aparelhos elétricos,dimensionando a utilização de cada equi-pamento; compreender o significado dosdispositivos eletrônicos e suas devidasaplicações e, por fim, que eles possamapreciar a economia de energia por meiodo estudo sobre a eficiência de lâmpadas.

Efeito Joule

O efeito Joule corresponde ao aque-cimento de determinado condutor ao re-sistir à passagem de corrente elétrica. Sãoinúmeras as aplicações de tal efeito, porexemplo, ferros de passar roupa, resistên-


cias dos chuveiros e aquecedores são todosbaseados nesse fenômeno. Este trabalhopropõe então um estudo quantitativosobre o efeito Joule, utilizando uma lâm-pada incandescente. Com o produto apre-sentado para uma turma, os alunos sãoconvidados a fazer medidas tanto de cor-rente quanto detemperatura de cadauma das lâmpadas,i n c a n d e s c e n t e ,fluorescente e de LED.Sugerimos que aslâmpadas sejam ace-sas com certa anteci-pação, para garantirque as mesmas tenham atingido umasituação de equilíbrio térmico. Para que aluz emitida não seja incômoda, o professortampa as lâmpadas acesas com um copoplástico preto, que acompanha o produto.A coleta de dados pelos alunos pode serfeita, por exemplo, com a Tabela 1.

É importante ressaltar que para cadamedida de corrente elétrica deve-se realizaruma de temperatura ou vice-versa, eambas devem ser anotadas. Após essa eta-pa, os alunos devem discutir sobre osresultados coletados. Abaixo deixamosuma lista de possíveis perguntas que oprofessor pode dar aos alunos para in-duzir a discussão:

i) Qual das lâmpadas esquentou

mais?ii) Qual delas utiliza mais corrente

elétrica?iii) Você consegue estimar uma

relação entre corrente e temperatura?iv) Onde ocorre o efeito Joule na lâm-

pada incandescente? E nas outras lâmpa-das, que não possuem filamento?

v) Quais as aplicações do efeito Jouleno seu cotidiano?

Sugerimos que essa aplicação sejafeita para alunos da terceira série doEnsino Médio, por envolver conceitos deeletricidade.

E = hf e a quantização da energia

Uma outra atividade que propomosestá ligada à verificação, ao menos quali-tativa, da fórmula famosa

E = hf (1)

proposta por A. Einstein para explicar oefeito fotoelétrico [8].

O professor propõe à turma que se re-gule o dimmer para que a lâmpada incan-descente apresente o maior brilho, ano-tando o valor da corrente que a alimenta,tomando nota também da cor do LED

aceso. O dimmer é en-tão regulado vagaro-samente para que alâmpada brilhe cadavez menos. Duranteessa etapa, quem regu-la o dimmer deve pau-sar a rotação para quesejam anotados os va-

lores de corrente e cor. Os dados podem seranotados, por exemplo, em uma tabelacomo a apresentada na Fig. 6.

O professor deve, de maneira quali-tativa, relacionar a corrente na lâmpadaincandescente com energia. A palavra“energia” neste experimento consiste naenergia luminosa emitida pela lâmpada ecoletada pelo sensor LDR (com maior valorde corrente elétrica, a lâmpada brilha commais intensidade). O experimento retrataque a energia é uma função monótonacom a frequência do LED aceso: quantomaior a corrente, maior a frequência doLED aceso na escala. Assim, de maneiraqualitativa, o professor induz a classe aconcluir que E ~ f .

O professor também pode explorar ocaráter “quântico” da escala de LEDs: to-dos eles são alimentados pela mesma fon-te, conforme indica a Fig. 2. Contudo, nemtodos acendem simultaneamente. De fato,ao girar o dimmer, vemos que cada vezmenos LEDs vão se mantendo acesos enotavelmente eles se apagam por gruposde cores. Esse comportamento é ortogonalà própria lâmpada incandescente. Ela vai

Figura 5: Representação esquemática de uma lâmpada com poder de iluminação maiorque a lâmpada da Fig. 4.

Tabela 1: Coleta de dados para estudo do efeito Joule.

Lâmpadas Corrente Temperatura

Incandescente

Fluorescente

LED

O efeito Joule corresponde aoaquecimento de determinado

condutor ao resistir à passagemde corrente elétrica. São

inúmeras as aplicações de talefeito: ferros de passar roupa,

resistências dos chuveiros eaquecedores


Figura 6: Tabela para coleta de dados de energia por cor de LED.

apagando lentamente e não por saltoscomo os LEDs da escala.

Sugerimos que esta atividade seja feitaem turmas de terceira série do Ensino Mé-dio por envolver conceitos de ondulatória(frequência), eletricidade (correntes) e pri-mórdios de física moderna.

Caracterização de lâmpadas maiseficientes

Essa atividade surge como uma conti-nuação natural das duas primeiras. Elaconsiste em caracterizar quão eficiente éuma lâmpada em relação às demais.

Na primeira etapa, os estudantes po-dem comprovar o aumento de correnteelétrica e o de temperatura nas lâmpadas.Dessa forma, o professor pode finalizarem uma aula de interação professor-alunoa construção do conhecimento sobre oEfeito Joule.

Já na segunda parte do procedimento,os alunos conseguiram determinar quequanto mais a intensidade luminosa queuma lâmpada emite sobre os sensores deLDR, mais cores de LEDs serão acesas naescala do LÚDICO.

O intuito então desta parte é cor-relacionar todos estes dados, tentandocaracterizar fisicamente qual das lâmpa-das é a mais eficiente. Uma possível per-

Referências

[1] A. Chaves, A Água, o Vento, o Sol e a Eletricidade, disponível em http://alaorchaves.com.br/wp-content/uploads/2018/04/A-%C3%81GUA-O-VENTO-O-SOL-E-A-ELETRICIDADE-2.pdf. Acesso em 05/06/2018.

[2] BRASIL, Ministério de Minas e Energia, Portaria Interministerial Número 1007, de 31 dezembrode 2010. Diário Oficial da União, p. 44, 2010.

[3] Mauro Costa da Silva, Física na Escola 12, 16 (2011).[4] LDR, Light Resistance Diode, Cds Photoconductive Cells - GL5528, disponível em https://

img.filipeflop.com/files/download/Datasheet_LDR.pdf. Acesso em 05/06/2018.[5] I. Akasaki, H. Amano and S. Nakamura, The Nobel Prize in Physics 2014, disponível em

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/. Acesso em 05/06/2018.

[6] Eduardo de Campos Valadares, Alaor S. Chaves e Esdras Garcia Alves, Aplicações da FísicaQuântica: Do Transistor à Nanotecnologia (Livraria da Física, São Paulo, 2005).

[7] L.S. Pedroso, J.A. Macêdo, M.S.T. Araújo e M.R. Voelzke, Revista Brasileira de Ensino deFísica 38, e2503 (2016).

[8] A. Einstein, Ann. Phys. 17, 132 (1905).

gunta que o professor pode propor à tur-ma é: “Com base nos recursos disponíveise no experimento apresentado, qual lâm-pada pode ser classificada como a maiseficiente? Sua justificativa deve conter asseguintes palavras: corrente, temperatu-ra, escala de LEDs”.

Conclusão

Apresentamos ao longo deste artigotanto a construção quanto o funciona-mento de um luxímetro didático paralâmpadas. É possível notar que a confi-


guração final do produto é visualmenteatrativa e com isso poderia despertar acuriosidade de alunos com facilidade. Aescala colorida de LEDs, além de ser ummedidor com diversos conceitos físicos aserem explorados, traz um grande des-taque para o equipamento.

O luxímetro deve ser utilizado comoum quadro comparativo. Também podemser utilizadas outras lâmpadas que já es-tão no mercado, como as halógenas. Pode-se, por exemplo, fazer a investigação decomo o quadro classificaria a eficiênciaenergética dessa lâmpada. Ela é mais efi-ciente que a incandescente comum ou estáentre a fluorescente compacta e a de LED?Atividades com caráter investigativo, co-mo o desta pergunta, com aplicação emsala de aula para professores do EnsinoMédio, foram sugeridas ao longo do texto.

Ressaltamos, contudo, que o pontomais interessante a ser explorado com oluxímetro é a introdução de novas tecno-logias. Uma lâmpada que seja lançada nomercado, digamos de OLED, pode ser devi-damente testada pelo LÚDICO. Dessa for-ma, o quadro se mostra dinâmico, podendoser sempre atualizado para mostrar aeficiência de qualquer tipo de lâmpada.

Por fim, o produto também pode serutilizado para discussões sobre produçãode lâmpadas em larga escala e motivosmercadológicos para substituição de umatecnologia por outra. Nesse ponto ele podeservir como elo para um trabalho inter-disciplinar com professores de outrasáreas, como história e geografia.

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