Portal do Professor

• Verificar, de modo simples, que ? poss?vel utilizar energia t?rmica para produzir movimento.
• Verificar que a eletricidade armazenada por atrito numa r?gua pl?stica pode fazer um led emitir luz.
• Verificar em que condi??es um led pode ser aceso com a energia el?trica armazenada em pilhas de frutas c?tricas ou batatas.

50 minutos.

• correntes de convec??o t?rmica;
• cargas el?tricas e eletriza??o por atrito;
• constru??o de pilhas com batatas ou frutas c?tricas.

As atividades propostas nesta aula est?o relacionadas ao problema da obten??o de energia para a realiza??o de pequenas tarefas. S?o apresentadas algumas possibilidades, como usar energia t?rmica para mover um catavento de papel, usar eletriza??o por atrito e energia de pilhas de lim?o para acender um led de baixa pot?ncia. Os alunos poder?o observar que diversos fatores, que precisam ser bem compreendidos, influenciam os processos de obten??o e utiliza??o de energia. Alguns desses processos est?o presentes e constituem o princ?pio de funcionamento de sistemas ou equipamentos importantes de gera??o de energia, tanto para uso em pesquisa cient?fica quanto para consumo das pessoas, em seu dia-a-dia. Desse ponto de vista, entender o funcionamento de uma pilha de lim?o pode ser o passo inicial para quem almeja realizar pesquisas que levem ao melhoramento da efici?ncia das pilhas e baterias comerciais. A energia t?rmica, como geradora de correntes de ar, ? tamb?m respons?vel, mesmo que indiretamente, pela movimenta??o das pesadas p?s dos geradores e?licos. A eletriza??o por atrito est? presente em equipamentos de laborat?rios de ensino de f?sica ou de pesquisa em f?sica de part?culas. Outro aspecto relacionado ao tema da aula, e que deve ser abordado, ? a import?ncia das pesquisas para melhoramento dos dispositivos consumidores de energia el?trica, tendo em vista o crescimento da demanda e o impacto ambiental que decorre da explora??o de diversas fontes energ?ticas. Nesse caso, a efici?ncia energ?tica do led, destacada durante as atividades, o credencia a ser citado como exemplo de dispositivo cujo uso precisa ser estimulado e disseminado.

O professor dividir? a turma em grupos de, no m?ximo, 5 estudantes. As atividades ser?o realizadas num laborat?rio de F?sica. Al?m dos materiais indicados, ser?o utilizados recursos multim?dia (computador conectado ? internet e projetor multim?dia e caixas de som), para a apresenta??o de pequenos v?deos e outros materiais que dar?o base ? revis?o e ? discuss?o de alguns conceitos.

O professor pode iniciar as atividades destacando que o objetivo ? a verifica??o da disponibilidade e da forma de uso de pequenas quantidades de energia em situa??es curiosas. Muitas vezes, essas situa??es envolvem objetos de uso cotidiano e podem mesmo passar despercebidas, sendo sua observa??o prejudicada pela curta dura??o do fen?meno ou ainda pela dificuldade de associarmos o fen?meno a suas causas reais.

Observa??o importante: o material indicado em cada atividade ? suficiente para 1 (um) grupo de alunos. Entretanto, em algumas delas, o professor pode considerar a alternativa de disponibilizar a cada aluno o material utilizado, quando este for de f?cil obten??o.

?

Atividade 1. ?Catavento? de papel

Nesta atividade, ? montado e manuseado um molinete de papel (*), que demonstra, de forma simples e curiosa, a produ??o de movimento por meio da energia t?rmica, envolvendo correntes de convec??o.

Os seguintes cuidados s?o necess?rios:

- trabalhar em ambiente fresco e livre de correntes de ar intensas;

- n?o soprar ou respirar fortemente perto da montagem;

- manusear com seguran?a itens tais como a vela e a agulha (ou alfinete).

?

(*) molinete: dispositivo com princ?pio de funcionamento semelhante ao do catavento, usado para medir a velocidade do vento ou de um curso d??gua

?

Material

?

• Um quadrado de papel liso e fino de 3 cm de lado (mais ?fino? que o papel A4 comum, ou seja, de gramatura inferior a 75 g/m²) (*);
• Uma agulha ou alfinete de costura;
• Uma borracha escolar;
• recipiente met?lico (copo) com cubos de gelo;
• Uma vela e f?sforos.

?

(*) Observa??es: O papel termosens?vel, gramatura: 56 g/m? (utilizado em m?quinas de cart?o de cr?dito e impressoras de cupons fiscais, por exemplo) proporciona um resultado muito bom. Por?m, caso o professor opte pelo uso desse papel, sugerimos que n?o reaproveite aqueles j? utilizados pelas m?quinas, por causa do sigilo das informa??es neles impressas. Nesse caso, ? importante utiliz?-lo em branco. O material utilizado nessa atividade, por ser de baixo custo, pode ser disponibilizado para cada um dos alunos do grupo.

?

Procedimento

?

Dobrar o quadrado de papel ao longo de cada uma de suas linhas m?dias, consecutivamente, deixando-o aberto, a seguir, conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1 ? dobradura do quadrado de papel (linha pontilhada)

?

Espetar na borracha o fundo da agulha (ou do alfinete), de modo que ela fique na posi??o vertical, com a ponta para cima. Em seguida, apoiar na ponta da agulha o centro do papel ? cruzamento das duas dobraduras.

?

Conforme mostrado na Figura 2, aproximar suavemente a m?o do papel, posicionando-a de modo que a palma e os dedos fiquem em torno dele, bem pr?ximos, mas sem tocar a montagem.

?

Figura 2 - m?o circundando o molinete

Fonte: livro F?sica recreativa I, de Yacov Perelman

?

Deixando-se a m?o parada nessa posi??o por algum tempo, ? poss?vel observar que, em condi??es apropriadas, o papel gira, no sentido da palma para os dedos. ? importante destacar que o efeito ? sutil e n?o muito f?cil de obter, por depender bastante das condi??es ambientais. Mas uma vez iniciado, o movimento ? bastante surpreendente, parecendo ocorrer por um passe de m?gica. Ali?s, em seu cl?ssico livro F?sica recreativa, Yacov Perelman (*) comenta que, l? pelo final do s?culo 19, muita gente acreditava numa origem m?gica para esse fen?meno, atribuindo o giro misterioso a supostas propriedades sobrenaturais do corpo humano.

(*) A ci?ncia divertida de Yakov Perelman ? artigo. Dispon?vel em: <http://super.abril.com.br/cotidiano/ciencia-divertida-yakov-perelman-486639.shtml>. Acesso em: 15 abr. 2012.

Depois de deixar os alunos ?brincarem? um pouco com o efeito, o professor pode dialogar com eles sobre a situa??o. Ele pode pedir aos alunos que resfriem as pontas dos dedos com gelo e ainda que esfreguem uma palma da m?o na outra, para que a diferen?a de temperatura entre essas partes da m?o seja aumentada, o que pode potencializar o efeito que se quer observar. De modo complementar, o professor poder? apresentar ou indicar aos alunos um v?deo que ilustra esse experimento, divulgado pela Sociedade Brasileira de F?sica e dispon?vel no link a seguir.

?

Convec??o ? v?deo. Dispon?vel em: <http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/Multimidia/Videos/Fisica-Termica/Conveccao>. Acesso em: 05 abr. 2012.

?

Em di?logo com os alunos, o professor pode construir uma explica??o f?sica bastante simples para o fen?meno: o ar pr?ximo ? montagem ? aquecido pela m?o, tornando-se menos denso, e sobe, pressionando o papel. Como este possui partes inclinadas, surgem for?as com componentes horizontais, que fazem a pe?a girar. O sentido da rota??o, por sua vez, ? explicado pelo fato de a palma da m?o ser mais quente do que os dedos. Por isso, pr?ximo ? palma, forma-se uma corrente de ar ascendente mais intensa, capaz de pressionar mais do que aquela formada pr?xima aos dedos.

?

Tal como descrito, o experimento do molinete possui um car?ter fenomenol?gico e hist?rico bastante curioso. Por?m, o mesmo efeito de rota??o pode ser obtido de maneira mais simples ? e talvez mais convincente ? usando-se uma vela acesa. Posicionando-se a chama da vela ao lado do molinete de papel, a pe?a girar? (ou ser? perturbado) mais intensamente do que na situa??o anterior. Uma explica??o f?sica an?loga ? v?lida aqui. O professor pode lan?ar m?o dessa alternativa, seja em car?ter substitutivo ou complementar.

?

Outra demonstra??o simples sobre correntes de convec??o ? sugerida no link dado a seguir.

?

Demonstra??o sobre correntes de convec??o ? texto descritivo. Dispon?vel em: <http://educador.brasilescola.com/estrategias-ensino/demonstracao-sobre-as-correntes-conveccao.htm>. Acesso em: 18 abr. 2012.

?

A depender das caracter?sticas da turma, o professor pode indicar links para textos, v?deos ou simula??es sobre convec??o, ou mesmo sugerir aos alunos fazer sua pr?pria busca de recursos na web.

?

Pode ser tamb?m interessante o professor comentar de passagem, com os alunos, que existe alguma analogia entre esse experimento e o tipo de intera??o que ocorre entre o vento e a vela de um barco. Nos dois tipos de intera??o, um aspecto essencial ? a exist?ncia de uma inclina??o da superf?cie a ser propelida em rela??o ? dire??o na qual sopra o vento, num caso, ou sobe a corrente de ar aquecido, no outro. A respeito do princ?pio de propuls?o de um barco a vela, o professor pode indicar a p?gina eletr?nica cujo link ? dado a seguir.

?

Navegando contra o vento ? texto explicativo com diagramas. Dispon?vel em: <http://www.feiradeciencias.com.br/sala19/texto31.asp>. Acesso em: 18 abr. 2012.

?

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

?

1. Esse experimento ? sugerido, como vimos, num livro de um divulgador cient?fico russo. O autor n?o relata dificuldades para a observa??o desse experimento em seu pa?s. Que caracter?stica(s) ambiental(ais) da R?ssia pode(m) ser determinante(s) para o ?xito em observar esse experimento naquele pa?s?

Resposta esperada: Clima frio, o que acentua a diferen?a de temperatura entre a palma da m?o e a ponta dos dedos.

?

2. Que mudan?a no ambiente do laborat?rio poderia contribuir para uma melhor observa??o do fen?meno?

Resposta esperada: Utilizar ambiente resfriado com ar condicionado.

?

O professor deve explicar que as correntes de convec??o surgem nos meios fluidos por causa da diferen?a de densidade entre regi?es do meio. Diferen?as de temperatura, por exemplo, causam essas diferen?as de densidade. Gra?as a essas correntes, que originam os ventos, o ser humano tem acesso, desde a antiguidade, a um tipo de energia muito importante ? a energia e?lica. Ao longo do tempo, ela tem sido usada para impulsionar embarca??es a vela, movimentar moinhos e, mais recentemente, movimentar as turbinas de grandes estruturas geradoras de energia el?trica, conhecidas como aerogeradores (figura 3). Essa intensa movimenta??o do ar em nossa atmosfera est? relacionada ?s altera??es clim?ticas que surgem por ocasi?o das mudan?as de esta??es do ano, alterando o regime de chuvas e as temperaturas, no decorrer do ano. Em nosso dia-a-dia, o fen?meno da convec??o est? relacionado, por exemplo, ao aquecimento de ?gua nos compartimentos dos aquecedores solares e ? refrigera??o de alimentos no interior das geladeiras.

?

Figura 3 - Aerogeradores ou geradores e?licos.  (Figura obtida do endere?o: http://baladain.com.br/admin2/uploads/parque-eolico-de-sines.jpg - acesso em 10/08/2012)

?

Atividade 2. Acender led com r?gua

?

Nesta atividade, uma r?gua atritada ? usada como fonte de energia para acender um led. O seguinte cuidado ? necess?rio:

- trabalhar em ambiente com baixa umidade relativa do ar, assim como em todo experimento de eletrost?tica. Isso pode ser conseguido executando a atividade em um dia mais seco ou em um ambiente desumidificado. (Uma op??o simples e barata ? trabalhar numa mesa ou bancada sobre a qual esteja acesa uma l?mpada incandescente (100 W, tipicamente), que aquecer? o ar e ajudar? a reduzir um pouco a umidade).

?

Material

?

• Um led comum (baixa pot?ncia);
• uma r?gua pl?stica;
• um peda?o de tecido seco (pode ser seda ou ainda tecido usado na confec??o de meia-cal?a).

?

Observa??o: o material utilizado nessa atividade, por ser de baixo custo, pode ser disponibilizado para cada um dos alunos do grupo.

?

Procedimento

?

Primeiramente, afastar um pouco os terminais (?pernas? met?licas) do led. Depois, segurar em uma das pontas da r?gua e atrit?-la vigorosamente com o peda?o de tecido. Em seguida, segurar um dos terminais do led (*) e passar o outro ao longo da superf?cie da r?gua, observando atentamente a ponta da c?psula pl?stica do dispositivo. Em condi??es adequadas, verifica-se um brilho leve e intermitente no led, o que indica a passagem, por ele, da eletricidade est?tica acumulada na superf?cie da r?gua.

Caso seja dif?cil observar o ligeiro brilho do led, fixar um pequeno tubo de papel em torno da c?psula, para concentrar melhor a luz que o dispositivo emite. Mas ? importante levar em conta que, em condi??es de umidade mais alta (por exemplo, em dias chuvosos), ? pouco prov?vel que o experimento funcione de modo satisfat?rio.

?

(*) Aten??o ? polaridade correta para liga??o do led: um corte (chanfro) em linha reta na circunfer?ncia da base da c?psula indica o terminal negativo (figura 4).

?

Figura 4 - Led.   (Figura obtida do endere?o: http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcReeS0ShvA5Bf6Gvdbs5WtN1lT3WnkORwWlR1atQ2nPPGxruMZqojzXol-nNQ - acesso em 10/08/2012)

?

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

?

1. No experimento realizado, qual das pernas do led estava conectada ao terminal negativo?

?

Resposta esperada: a perna em contato com a r?gua, pois a r?gua fica eletrizada negativamente ao ser atritada com seda e a m?o da pessoa, supostamente neutra, estaria em potencial el?trico mais alto.

?

2. Por que a umidade do ar prejudica esse experimento?

?

Resposta esperada:

Porque a perda das cargas el?tricas da r?gua eletrizada para o ar ? mais intensa quando o ar est? com umidade elevada.

?

A eletriza??o por atrito, que ? a base desta atividade, encontra-se presente em diversas situa??es cotidianas. Mesmo envolvendo pequenas quantidades de energia, esse fen?meno pode produzir efeitos significativos. Um exemplo bastante convincente s?o os pequenos e inc?modos "choques" el?tricos que ?s vezes experimentamos ao tocar uma pe?a met?lica num dia de clima seco. Em determinadas situa??es, essas pequenas descargas el?tricas podem implicar riscos que devem necessariamente ser prevenidos. No transporte de combust?veis l?quidos, por exemplo, ? imprescind?vel considerar que uma eventual combina??o desse tipo de descarga com vapores do material inflam?vel transportado pode ativar combust?es capazes de produzir explos?es e inc?ndios de grandes propor??es.

Para que seja poss?vel uma utiliza??o em condi??es mais  controladas, a eletricidade gerada por atrito precisa ser acumulada em equipamentos especiais, chamados m?quinas eletrost?ticas. ? o caso da m?quina de Wimshurst, que, historicamente, foi usada na pesquisa b?sica sobre eletricidade, e do gerador de Van de Graaff, que possui aplica??es importantes nas pesquisas de f?sica nuclear.

?

Atividade 3. Acender led com batata ou lim?o

?

Esta atividade toma por base uma aula sobre constru??o de pilhas tamb?m dispon?vel no Portal do Professor, sugerindo algumas adapta??es. Os procedimentos b?sicos para a constru??o das pilhas de batata ou lim?o s?o descritos nessa aula, cujo no link ? indicado a seguir.

?

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.

?

Material

?

Sugest?es de adapta??o:

?

• As placas de cobre podem ser trocadas por moedas de 5 centavos de real, que s?o feitas de cobre.
• As placas de zinco podem ser trocadas por pregos de a?o ou clipes de prender papel.
• Quatro peda?os pequenos de fio de cobre 22 com garras jacar? nas pontas.
• Um mult?metro.
• Led de 5 mm.

?

?

Procedimento

?

Na figura 5, temos duas pilhas de lim?o, associadas em s?rie, sendo usadas para acender um led. No entanto, os leds utilizados nesta aula, mesmo sendo de baixa pot?ncia, demandam um n?mero maior de pilhas associadas em s?rie. O professor pode propor que cada grupo monte 4 pilhas de batata ou de lim?o. Dividida entre os integrantes, essa ? uma tarefa simples e r?pida de executar. Em seguida, em cada grupo, os alunos testar?o o acendimento do led (*) com uma das pilhas e depois, subsequentemente, com duas, tr?s e quatro delas ligadas em s?rie. Nessa sequ?ncia, ? importante observar se o led se acende ou n?o e se o brilho varia de um caso para outro. ? tamb?m poss?vel tentar comparar os resultados obtidos com pilhas de um e de outro tipo (lim?o e batata). Pode ser tamb?m interessante determinar durante quanto tempo um led fica aceso com um conjunto de 4 pilhas de um e de outro tipo.

?

(*) Aten??o ? polaridade correta para liga??o do led: um corte em linha reta na circunfer?ncia da base da c?psula indica o terminal negativo.

?

?

Figura 5 - Pilhas de lim?o acendem Led.   (Figura modificada a partir daquela obtida do endere?o: http://3.bp.blogspot.com/-tyNxogGUCJU/T9XavMRPUmI/AAAAAAAAAII/EQakAEc24Sw/s1600/lli.png - acesso em 10/08/2012)

?

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

?

Tratando cada conjunto de quatro pilhas de vegetais ligadas em s?rie como uma unidade de fornecimento de energia el?trica, responda:

?

1. Que tipo de associa??o ? poss?vel usar para fazer, de posse de algumas unidades de fornecimento de energia el?trica, para que o led fique aceso durante mais tempo?

?

Resposta esperada: ligar dois ou mais conjuntos em paralelo.

?

2. Que tipo de associa??o ? poss?vel usar para fazer, de posse de algumas unidades de fornecimento de energia el?trica, para que o led brilhe mais intensamente?

?

Resposta esperada: ligar dois ou mais conjuntos em s?rie.

?

Conforme verificado nesta atividade, um led pode ser acionado com o fornecimento de uma tens?o relativamente baixa. De fato, esse dispositivo ? capaz de produzir luz com baixo consumo de energia el?trica, apresentando altos valores de efici?ncia energ?tica. Essa caracter?stica ? especialmente expressiva nos modelos mais recentes, que s?o capazes de fornecer pot?ncias luminosas significativamente maiores do que os leds existentes at? h? cerca de uma d?cada.

O uso de leds em quantidades adequadas possibilita obter, com menor consumo de energia, uma ilumina??o equivalente ? obten?vel com tecnologias menos eficientes, tais como as l?mpadas incandescentes. Na atualidade, essa aplica??o vem sendo explorada na produ??o de uma variedade de equipamentos, tais como lanternas, flashs compactos para c?meras fotogr?ficas digitais, l?mpadas para sem?foros luminosos de controle de tr?fego, monitores de televis?o e computador, projetores multim?dia etc. No caso dos sem?foros, por exemplo, a maior efici?ncia energ?tica traduz-se numa valiosa economia dos recursos financeiros destinados ? ilumina??o p?blica, proporcionando vantagens tanto para o cidad?o contribuinte quanto para o poder p?blico como um todo. O professor pode explorar, juntamente com os alunos, os princ?pios de funcionamento de alguns dos equipamentos mencionados, com um progn?stico de bons resultados em termos de compreens?o de conceitos ligados ? problem?tica do uso eficiente da energia el?trica.

- Para  ver outros experimentos que envolvem conceitos de eletricidade e magnetismo, consulte o material dispon?vel em:

<http://debauru.edunet.sp.gov.br/oficina/arquivos_fisica/apostila1.pdf>        Acesso em: 18 abr. 2012.

<http://fisica.uems.br/aprenda/induz/ >               Acesso em: 18 abr. 2012.

?

- Para ver outros experimentos envolvendo eletriza??o, utilizando leds e outros dispositivos, consulte o material dispon?vel em:

<http://www.rc.unesp.br/showdefisica/99_Explor_Eletrizacao/paginas%20htmls/Demo%20Bal%C3%B5es%20de%20l%C3%A1tex.htm>          Acesso em: 18 abr. 2012.

?

- Boas discuss?es sobre m?quinas eletrost?ticas podem ser encontradas nos endere?os listados a seguir:

<http://www.teclas.org/chispas/chispas>. (Acesso em: 01 jun. 2012)

<http://www.coe.ufrj.br/~acmq/wimport.html>. (Acesso em: 01 jun. 2012)

<http://cienciaecultura.bvs.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0009-67252010000500003>. (Acesso em: 01 jun. 2012)

?

Ap?s a realiza??o dessa aula sobre energia, o estudante dever? ser capaz de:

• identificar maneiras simples de produzir movimento de objetos pequenos e leves (atra??o el?trica por objeto eletrizado, uso de energia t?rmica para gerar correntes de convec??o);
• utilizar pequenas quantidades de energia para acender um led (eletricidade obtida por eletriza??o, pilhas de lim?o ou batatas);
• saber as condi??es energ?ticas m?nimas necess?rias para acionar determinados dispositivos (associa??o de v?rias pilhas de lim?o ou batata para acender um led).
  ?

Sugest?o: O professor pode propor aos alunos que produzam, coletivamente, um blog sobre ?m?gicas? de f?sica, com a realiza??o de uma blog-gincana (concurso entre equipes, visando ? produ??o do blog mais criativo, bonito, informativo e consistente).