Portal do Professor

• Entender os aspectos b?sicos do problema da obten??o de energia para acionamento de dispositivos de uso cotidiano.
• Verificar que pilhas de constru??o caseira geralmente n?o fornecem energia de modo eficiente para acionar um pequeno motor.
• Verificar como a energia dessas pilhas caseiras pode ser armazenada para alimentar processos ?teis no cotidiano.

50 minutos

• Cargas el?tricas e corrente el?trica.
• Constru??o de pilhas com lim?o ou batata.
• Diferen?a de potencial el?trico.
• Saber usar um mult?metro para medir diferen?a de potencial el?trico.

Com a realiza??o das atividades propostas nesta aula, os alunos ter?o contato com o problema da obten??o e armazenamento de energia, tema bastante atual tendo em vista o aumento sistem?tico da demanda de energia para o funcionamento de dispositivos de uso cotidiano. Ser?o exploradas duas situa??es: a gera??o de energia por pilhas constru?das de modo simples e sua utiliza??o direta para acionamento de alguns dispositivos; o armazenamento da energia gerada pelas pilhas num capacitor (acumulador de carga) para posterior acionamento dos dispositivos. Os alunos poder?o verificar que a energia gerada pelas pilhas de lim?o, quer seja usada de modo direto ou armazenada num capacitor, consegue acionar e manter em funcionamento um rel?gio digital, dispositivo que demanda uma quantidade de energia muito pequena para funcionar. Eles tamb?m poder?o verificar que essas mesmas pilhas n?o conseguem fornecer energia de modo eficaz para acionar um pequeno motor el?trico. Desse modo, a observa??o e discuss?o de diversos fen?menos relacionados aos conte?dos de f?sica abordados na aula fornecer?o elementos para que os alunos fa?am uma rela??o direta entre o tema estudado e outros assuntos de interesse, tratados no dia-a-dia das pessoas. Por exemplo, poder?o constatar que, mesmo gerando uma diferen?a de potencial, ddp, igual ? das pilhas comercializadas, as pilhas caseiras s?o muito menos eficientes e se mostram ineficazes para a realiza??o de algumas tarefas. Esse fato n?o s? permite a explora??o da rela??o entre ddp e energia, mas tamb?m leva a uma produtiva discuss?o sobre a dificuldade de se obter uma fonte eficiente de energia para uso cotidiano e a uma percep??o da import?ncia das pesquisas realizadas para aumento da efici?ncia dessas fontes, o que, dentre outras coisas, permite a redu??o do impacto ambiental causado pelo aumento da demanda pelo uso delas.

O professor dividir? a turma em grupos de, no m?ximo, 5 estudantes. As atividades ser?o realizadas num laborat?rio de F?sica e, al?m dos materiais, ser?o utilizados recursos multim?dia (computador conectado ? internet e projetor multim?dia) para a apresenta??o de pequenos v?deos e exposi??o de alguns conceitos.

No in?cio da aula, o professor pode dizer aos alunos da import?ncia de termos fontes de energia eficientes para suprirem as demandas de energia pelos dispositivos de uso cotidiano, como calculadoras, computadores, lanternas, tablets e outros. Desse modo, devemos entender bem o funcionamento dessas fontes de energia visando ao seu melhor aproveitamento e tamb?m ao uso correto, do ponto de vista ambiental. Para que se entenda o processo envolvido na obten??o e ac?mulo de energia el?trica para utiliza??o em dispositivos, ser?o realizadas algumas atividades em que a energia ? obtida a partir de pilhas de constru??o caseira e acumulada em capacitores. A efic?cia dessas pilhas e dos capacitores carregados para o acionamento de alguns dispositivos ser? testada.

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Atividade 1. Uso da pilha de lim?o para acionamento de alguns dispositivos

Material

?  2 metades de lim?o.
?  2 placas de cobre.
?  2 placas de zinco.
?  1 rel?gio digital que funciona com pilha de 1,5 V.
?  1 motor el?trico de 3V.
?  1 volt?metro.
?  1pilha AA de 1,5 V.
?  Fios para conex?o com garras jacar?s nas pontas.

Observa??es: O material acima ? suficiente para a realiza??o do experimento por um grupo de estudantes. O motor el?trico de 3 V e o rel?gio digital podem ser adquiridos em lojas que vendem componentes eletr?nicos ou ainda em kits did?ticos para ensino de eletricidade e eletr?nica. As placas de cobre e zinco podem ser improvisadas com moedas de 5 centavos de real (de cobre) e peda?os de folhas de zinco usadas na confec??o de calhas para escoamento de ?gua. O professor deve tomar precau??es em rela??o ao uso dos peda?os de folhas de zinco, pois costumam ficar bordas cortantes. Ele pode limar os peda?os, que devem ser pequenos (at? 5 cm). ? poss?vel ainda usar materiais feitos de outros metais, como clips e pregos, em substitui??o ?s placas de zinco.

Procedimento

O professor pedir? aos alunos que montem duas pilhas de lim?o, conforme procedimento encontrado em

Constru??o de pilhas (eletroqu?mica) ? aula do Portal do Professor. Dispon?vel em: <http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=33527>. Acesso em: 16 abr. 2012.

Ap?s a montagem das pilhas, os alunos devem verificar, utilizando o volt?metro, a diferen?a de potencial (ddp) entre os terminais (espera-se um valor entre 0,75 e 0,95 V). Em seguida, os estudantes devem associar as pilhas em s?rie e verificar a ddp entre os terminais da associa??o (eles dever?o encontrar um valor que ? praticamente o dobro daquele medido para uma ?nica pilha, como pode ser observado na figura 1).

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Fig. 1 ? Pilhas de lim?o associadas em s?rie (ddp de 1,905 V). Elas fazem funcionar um rel?gio digital.    (Foto produzida pelo autor)

Dando sequ?ncia ? atividade, os alunos devem conectar a pilha AA, de 1,5 V, ao motor el?trico e ao rel?gio, verificando o funcionamento pleno desses dispositivos. Em seguida, eles devem verificar que a associa??o de pilhas de lim?o faz funcionar o rel?gio digital, como pode ser observado no seguinte v?deo

<http://www.youtube.com/watch?v=Z758zLpHDJY>.  Acesso em: 16 abr. 2012.

Constatado o funcionamento do rel?gio digital, os alunos devem conectar a associa??o de pilhas de lim?o ao motor el?trico e verificar se ele ser? acionado. Eles ir?o constatar que a associa??o de pilhas de lim?o n?o aciona o motor, como pode ser observado no v?deo

<http://www.youtube.com/watch?v=f12esiUnkFg>.  Acesso em: 16 abr. 2012.

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O professor pode comentar que as pilhas de lim?o (mesmo associadas), embora forne?am uma ddp at? superior ?quela fornecida pela pilha AA (pilha comercializada), n?o conseguem acionar dispositivos cujo funcionamento necessite de correntes el?tricas mais intensas. O professor pode fazer a seguinte analogia, para ilustrar esse fato: na ponta de um cigarro aceso, a temperatura atinge 300 ?C. Apesar de estar em alta temperatura, a ponta do cigarro n?o ? capaz de fazer ferver a ?gua contida numa tampa de refrigerante. Portanto, a alta temperatura da ponta do cigarro n?o implica em grande quantidade de energia. Outro aspecto interessante que pode ser comentado ? que utilizar pilhas constru?das com frutas, tub?rculos (batatas), refrigerante e outros, em larga escala, poderia levar a um desequil?brio no fornecimento de alimentos para nosso consumo. Atualmente, esse desequil?brio pode ser observado na divis?o que ocorre no plantio da cana de a??car para produ??o de alimentos e de ?lcool combust?vel. O mesmo acontece com o biodiesel, que vem utilizando soja em sua produ??o.

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Ao final dessa atividade, os estudantes dever?o responder ?s seguintes perguntas:

- Se as pilhas fossem conectadas em paralelo, qual seria a ddp entre os terminais?

Resposta esperada:

Entre 0,75 e 0,95 V, ou seja, a ddp observada entre os terminais de uma ?nica pilha.

- Por que a pilha de lim?o, fornecendo ddp at? superior a 1,5 V, n?o faz funcionar o motor?

Resposta esperada:

Porque n?o ? uma pilha eficiente, ou seja, n?o consegue sustentar uma corrente el?trica capaz de fazer o motor funcionar.

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Atividade 2.  armazenamento de carga da pilha de lim?o num capacitor

Material

?  pilhas de lim?o conectadas em s?rie, montadas na atividade 1.
?  1 rel?gio digital que funciona com pilha de 1,5 V.
?  fios para conex?o com garras jacar?s nas pontas.
?  um capacitor de 100 micro Farad por 250 V.
? 1 motor el?trico de 3V.
? 1 volt?metro.

Observa??o: O material acima ? suficiente para a realiza??o do experimento por um grupo de estudantes. O capacitor pode ser adquirido em lojas que vendem componentes eletr?nicos ou ainda em kits did?ticos para ensino de eletricidade e eletr?nica.

Procedimento

Os estudantes dever?o conectar a pilha de lim?o ao capacitor. Em seguida, eles devem verificar que, enquanto conectado ? pilha, a ddp entre os terminais do capacitor ser? a mesma daquela observada entre os terminais da pilha, como pode ser visto na figura 2.

Dando sequ?ncia ? atividade, os estudantes dever?o observar que, enquanto o capacitor est? conectado ? pilha, ele adquire carga el?trica, uma ddp entre seus terminais e tamb?m energia potencial el?trica. O capacitor que ? utilizado nesse experimento atinge seu carregamento pleno em poucos segundos. Em seguida, os estudantes devem desconectar o capacitor da pilha e verificar, utilizando o mult?metro, que a ddp entre os terminais do capacitor, j? desconectado da pilha, ? igual ?quela observada entre os terminais da pilha.

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Fig. 2 ? Capacitor carregado pelas pilhas de lim?o associadas em s?rie.  (Foto produzida pelo autor)

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Dando sequ?ncia ? atividade, os estudantes devem conectar o capacitor carregado ao rel?gio digital e depois ao motor el?trico. Eles ir?o constatar que, do mesmo modo que ocorre com a associa??o de pilhas, o capacitor carregado faz funcionar o rel?gio digital, mas n?o consegue acionar o motor.

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Ao final dessa atividade, os estudantes dever?o responder ?s seguintes perguntas:

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- Como podemos interpretar o fato do capacitor atingir rapidamente uma ddp igual ?quela observada entre os terminais da pilha?

Resposta esperada:

O capacitor atinge rapidamente a ddp (V) igual ?quela dos terminais da pilha porque carrega-se rapidamente. A rela??o entre a carga adquirida (Q) e a ddp (V) ? linear (Q = CV). O capacitor utilizado no experimento realizado armazena uma pequena quantidade de carga.

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- O que poderia ser feito para armazenar mais carga?

Resposta esperada:

Utilizar capacitores de maior capacit?ncia e associados em paralelo.

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Atividade 3.  Observa??o do processo de descarga do capacitor

Material

?  pilhas de lim?o conectadas em s?rie, montadas na atividade 1.
?  1 rel?gio digital que funciona com pilha de 1,5 V.
?  fios para conex?o com garras jacar?s nas pontas.
?  um capacitor eletrol?tico de 100 micro Farad por 250 V (ou outro de capacit?ncia entre 50 e 500 micro Farad por uma ddp superior a 1,5 V).
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Procedimento

Os estudantes dever?o carregar novamente o capacitor, utilizando a associa??o de pilhas de lim?o, anteriormente montada. Em seguida, eles devem desconectar o capacitor da associa??o de pilhas e conect?-lo ao volt?metro e ao rel?gio digital. Feitas as conex?es, eles dever?o verificar que, com o passar do tempo, a diferen?a de potencial do capacitor diminui quando ele ? conectado ao rel?gio. Essa diminui??o da ddp entre os terminais do capacitor, que ? relacionada ao consumo de energia para funcionamento do rel?gio, pode ser observada no seguinte v?deo

<http://www.youtube.com/watch?v=Z758zLpHDJY>.  Acesso em: 16 abr. 2012.

O professor poder? comentar que a carga el?trica armazenada no capacitor est? relacionada ? ddp entre seus terminais e tamb?m ? energia armazenada nele. Consequentemente, h? uma diminui??o da carga e da energia armazenadas, ao mesmo tempo em que a ddp diminui.

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Ao final dessa atividade, os estudantes dever?o responder ?s seguintes perguntas:

- Qual a rela??o entre a descarga do capacitor e o uso da energia acumulada nele?

Resposta esperada:

A descarga do capacitor implica na diminui??o da ddp entre seus terminais e da energia acumulada nele.

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- Se o capacitor carregado fosse ligado ao motor, considerando que o capacitor n?o faz funcionar o motor, haveria diminui??o da ddp entre os terminais?

Resposta esperada:

Sim. A energia do capacitor seria consumida da mesma forma. A diferen?a ? que essa mesma energia pode fazer o rel?gio digital funcionar mas n?o consegue iniciar o funcionamento do motor.

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Ap?s a realiza??o dessas atividades, o professor promover? uma discuss?o entre os alunos sobre o problema de armazenamento de energia el?trica para uso eficaz em dispositivos de uso cotidiano. Algumas quest?es importantes devem ser colocadas para nortear a discuss?o:

1 ? qual propriedade dos capacitores est? diretamente ligada ao armazenamento de energia?

Resposta esperada: a capacit?ncia.

2 ? O que poderia ser feito para melhorar o armazenamento de energia em capacitores, de modo a obter uma quantidade suficiente para acionar o motor el?trico?

Resposta esperada: usar um capacitor com capacit?ncia bem maior ou associar v?rios capacitores para obter uma capacit?ncia equivalente bem maior.

3 ? Qual a diferen?a entre pilha e capacitor?

Resposta esperada: O capacitor, uma vez descarregado, precisa ser carregado novamente para que haja uma ddp entre seus terminais. A pilha, atrav?s de um mecanismo que envolve rea??es qu?micas, mant?m uma ddp entre seus terminais enquanto esse mecanismo estiver operante.

4 ? Qual a diferen?a entre pilha e bateria?

Resposta esperada: A bateria ? uma associa??o de pilhas em s?rie.

A partir dessa discuss?o, com a contribui??o do professor, essas quest?es ser?o respondidas e outros aspectos importantes do problema de armazenamento e uso da energia el?trica em dispositivos poder?o ser abordados. Como exemplo, podemos citar a necessidade cada vez maior da utiliza??o de pilhas e baterias, a busca incessante do aumento da efici?ncia delas e o impacto ambiental que essa demanda tem provocado, uma vez que, pelo menos no Brasil, a destina??o final da grande maioria dessas pilhas e baterias ? o lixo comum, causando contamina??o do meio ambiente por metais pesados.

- Para constru??o de pilhas com eletrodos de cobre e magn?sio (performance muito boa), utilizando materiais de baixo custo, consulte o material dispon?vel em:

http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc11/v11a09.pdf> . Acesso em: 16 abr. 2012.

- Uma discuss?o sobre utiliza??o do biocombust?vel,  citada na atividade 2 como poss?vel causa de desequil?brio no fornecimento de alimentos, ? encontrada no material dispon?vel em:

<http://www.qnesc.sbq.org.br/online/qnesc28/03-QS-3207.pdf>. Acesso em: 16 abr. 2012.

- Para mais informa??o sobre as pilhas e sua utiliza??o, acesse:

<recursos/mec_18510/video.html>. Acesso em: 27 jul. 2012.

- Para mais informa??o sobre o problema do descarte inadequado de pilhas e baterias, consulte a seguinte aula do Portal do Professor - MEC:

<http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=35961>. Acesso em: 27 jul. 2012.

Ap?s a realiza??o dessa aula sobre utiliza??o de pilhas de lim?o no funcionamento de dispositivos, o estudante dever? ser capaz de:

• Compreender que uma pilha constru?da com lim?o n?o ? muito eficiente, n?o sendo capaz de movimentar um motor el?trico de 3V, por exemplo.
• Entender que uma pilha de lim?o pode ser utilizada para carregar um capacitor e que esse capacitor carregado pode manter, por algum tempo, um dispositivo funcionando (um rel?gio digital, por exemplo).
• Entender que a ddp entre os terminais do capacitor (e mesmo entre os terminais da pilha de lim?o) diminui quando s?o utilizados para manter o funcionamento de um dispositivo e que essa diminui??o da ddp est? relacionada com a perda da carga armazenada e da energia el?trica acumulada.

O professor poder? solicitar a cada equipe de estudantes que fa?a trabalho de pesquisa tratando da investiga??o do que ocorre com a ddp entre os terminais da associa??o de pilhas de lim?o com o passar do tempo e ainda como a utiliza??o da energia dessa associa??o de pilhas, para alimentar dispositivos, influencia essa ddp. Ele pode solicitar aos estudantes que produzam v?deos para enriquecerem a apresenta??o no trabalho. As equipes dever?o discutir seus resultados e suas conclus?es.

O professor poder? lan?ar um desafio para os alunos: encontrar uma solu??o para o problema do armazenamento eficaz de energia el?trica em capacitores. Eles poder?o utilizar capacitores na montagem de um dispositivo que consiga armazenar energia em quantidade suficiente para acionar o motor el?trico. As propostas dever?o ser apresentadas pelos grupos, que explicar?o como funciona o dispositivo e comprovar?o sua efici?ncia demonstrando que ele pode, ao armazenar energia, acionar o motor el?trico de 3 V.