Diferenciar propriedades elétricas de diferentes materiais;

Compreender o funcionamento de fotodetector de acendimento automático de postes de luz.

Definição de corrente elétrica, resistores e diferença de potencial.

Conceitos das leis de Ohm.

Circuitos elétricos e seus componentes;

Definição de campo magnético;

Campo magnético criado em um solenóide.

Estratégias de ensino:

- Aula interativa com recursos de multimeios;

- Aula participativa;

- Aula conceitual.

Materiais:

- um resistor dependente de luz (LDR);

- um tiristor (SCR);

- um ohmímetro ou multímetro que possua essa função.

Consideração inicial ao professor:

Os materiais solicitados serão usados apenas para demonstração e podem ser encontrados em qualquer loja de componentes eletrônicos. Caso não seja possível dispor de tais materiais, a proposta de aula já possui imagens de cada um dos componentes solicitados.

Introdução à aula:

Inicie a aula perguntando aos alunos se eles sabem por que os postes de luz acendem quando a luminosidade diminui. Para contrapor respostas que levem em consideração apenas o fato dos postes acenderem porque está de noite, você poderá apresentar a imagem a seguir que foi tirada durante uma chuva na cidade de São Paulo às 12h 46min de um sábado. Encaminhe a discussão de forma que os alunos percebam a necessidade de existir, no circuito elétrico do poste, algum tipo de componente eletrônico sensível à luz.

Para explicar quais são os componentes eletrônicos envolvidos no processo, retome os conceitos de materiais condutores, semicondutores e isolantes.

Figura 1: Postes de luz da Praça da Sé acesos às 12h46 de sábado no momento de chuva

Disponível em http://topicos.estadao.com.br/fotos-sobre-chuva/ acesso em 12/10/2010    

A figura abaixo representa a lacuna entre os níveis de energia da banda de valência e condução em condutores, semicondutores e isolantes:

Figura 2: Lacuna entre banda de valência e condução em condutores, semicondutores e isolantes

Disponível em http://www.infoescola.com/quimica/semimetais/ acesso em 12/10/2010  

Trabalhe com a ideia de que para um material ser considerado bom condutor deve oferecer baixa oposição à passagem da corrente elétrica, o que está relacionado com a quantidade de portadores na banda de condução (elétrons livres).

Atividade 1 - Laboratório de informática: diferenciando materiais condutores, semicondutores e isolantes

No laboratório de informática, separe a turma em três grupos e distribua 1 cartolina, do tamanho 20 cm x 30 cm, para cada grupo. Eles deverão pesquisar informações sobre o que são e quais as utilidades dos materiais condutores, semicondutores e isolantes (seguem abaixo alguns links que podem servir como referência). Na aula seguinte, cada grupo deverá apresentar para toda a turma o cartaz explicando o que compreendeu sobre as propriedades do material estudado. Você poderá realizar uma exposição com os cartazes preparados pelos grupos depois das apresentações.

GRUPO 1 - materiais condutores e suas utilidades;

GRUPO 2 - materiais semicondutores e seus usos comerciais;

GRUPO 3 - materiais isolantes e os usos comerciais.

Os links a seguir apresentem algumas informações sobre o assunto:

- Materiais condutores e isolantes http://www.notapositiva.com/trab_estudantes/trab_estudantes/fisico_quimica/fisico_quimica_trabalhos/bonsmauscondutelectr.htm acesso em 20/10/2010; 

- Materiais semicondutores http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialsemicon/pagina_5.asp acesso em 20/10/2010; 

- Materiais semicondutores http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u61.jhtm acesso em 20/10/2010.   

Atividade 2 - Laboratório de informática: testando a condutividade dos materiais

Organize os alunos em trios e disponibilize o recurso 1 para a realização da atividade 2. Nesta atividade será possível testar três materiais (metal, plástico e um fotocondutor) e verificar quais e em que condições eles conduzem eletricidade. Os três materiais poderão ser ligados a uma bateria e/ou uma fonte de luminosa.

Conductivity 

Recurso 1: Testando a condutividade dos materiais

Disponível em http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=13457 acesso em 12/10/2010 

Peça para que os alunos escolham uma material (metal, plástico ou fotocondutor) e, inicialmente, alterem a voltagem do circuito clicando nas flechas do campo "Voltagem da Bateria". Depois, zerem o campo "Voltagem da Bateria" e selecionem o campo "Iluminar". Por último, mantenham o campo "Iluminar" selecionado e aumentem a voltagem do circuito. Eles deveram repetir este procedimento para os outros dois materiais e preencher uma tabela que deixe claro quais e em que condições cada material se tornou condutor. Segue uma tabela que pode servir como modelo.

Tabela 1: Condição de condutibilidade dos materiais

Esta tabela deverá ser realizada no caderno, pois poderá ser consultada nas formulações de hipóteses da atividade 3.

Alguns componentes eletrônicos

Após as atividades 1 e 2, os alunos já devem ter compreendido que existem materiais condutores, semicondutores e isolantes. Agora, apresente para eles, alguns componentes eletrônicos que servirão para explicar como os postes acendem a luz quando a luminosidade diminui.

Explique que o circuito que permite acender ou apagar a lâmpada de um poste possui, basicamente, os seguintes componentes: o LDR (que é um resistores dependente de luz), o SCR (que em algumas vezes pode ser um transistor) e do relês.

Resistores dependentes de luz: chamados de LDR (do inglês Light Dependent Resistor ou em português Resistor Dependente de Luz) são resistores que se tornam bons condutores quando expostos à fonte de luz. É importante explicar para os alunos que materiais que conduzem na presença de luz, são chamados de fotocondutores.

Para demonstrar isso para os alunos, você poderá medir a resistência de uma LDR utilizando um ohmímetro. Depois, varie a intensidade luminosa do ambiente e pergunte aos alunos o que acontece com a resistência do LDR medida pelo ohmímetro. Caso os alunos já tenham estudado em química os níveis energéticos, você poderá explicar que o fato do LDR se tornar um condutor melhor quando exposto à luz se deve à transferência de energia (superior à lacuna energética entre as bandas) dos fótons para os elétrons, que saltam para a banda de condução.

Caso não tenha um LDR em mãos, a figura 3 possui uma simulação de como se comporta um LDR na presença de luz (R = 500 ohms) e sem a presença de luz (R = 200 x 10³ ohms). 

Figura 3: Tipos de LDR e variação da resistência de um LDR

Disponível em http://elektroarea.blogspot.com/2009/09/cara-menguji-ldr-menggunakan-multi.html acesso em 12/10/2010 

http://costar-group.tradenote.net/product/309071-Cds-Photoconductive-Cell.html acesso em 12/10/2010    

Tiristores: são componentes eletrônicos conhecidos como SCR (Silicon Controlled Rectifier - Retificador Controlado de Silício). É importante que os alunos compreendam que os SCR são dispositivos semicondutores com capacidade de conduzir ou bloquear uma corrente (em um ou nos dois sentidos). Normalmente, o SCR permite a passagem de energia do emissor para o receptor quando a resistência é baixa. Portanto, será o SCR que irá permitir ou bloquear a passagem da energia elétrica da fonte para o resto de um circuito.

Figura 3: Tipos de tiristores

Disponível em http://www.electronicrepairguide.com/testing-scr.html acesso em 12/10/2010  

http://parts.digikey.com/1/parts-cats/scrs-single-discrete-semiconductor-products acesso em 12/10/2010  

Relês: é um interruptor eletromecânico formado por uma bobina, que quando atravessada por uma corrente elétrica, pode abrir ou fechar um circuito. Você precisa relembrar com os alunos que na passagem de uma corrente elétrica através de uma bobina ocorre a geração de um campo magnético. Este campo magnético é que irá atrair uma alavanca que poderá abrir ou fechar um circuito elétrico.

Figura 4: Relés

Disponível em http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rele_2.jpg acesso em 12/10/2010 

Funcionamento dos postes de luz - como eles acendem

Apresente a figura 6 que representa um esquema simplificado do circuito elétrico que permite acender ou apagar a lâmpada de um poste de luz. Explique que quando a intensidade luminosa é alta, o LDR possui uma baixa resistência e com isso o SDR permite a passagem de corrente elétrica, ativando o relês e desliga a luz. Já quando a luminosidade é baixa, o LDR tem resistência alta, com isso o SDR não permite a passagem de corrente elétrica, o relês não funciona e a lâmpada se acende.

Figura 6: Esquema básico do circuito de um poste de luz

Disponível em http://ciencia.hsw.uol.com.br/questao363.htm acesso em 12/10/2010

Atividade 3 - Formulação de hipóteses

Mantendo os trios da atividade 2, realize uma levantamento de hipóteses para os fenômenos estudados com base nas questões a seguir.

1) Por que o material fotocondutor não conduziu quando foi exposto somente à luz?

2) Por que o material condutor não tem a corrente aumentada quando exposto à luz juntamente com a fonte de tensão?

3) Qual a diferença entre um resistor comercial comum e um resistor dependente de luz?

Peça para que cada grupo busque formular uma hipótese para cada uma das questões. Conceda aos alunos um tempo de 10 minutos para uma discussão no próprio grupo e para a elaboração e registro escrito das hipóteses. Passado o tempo, disponha os alunos em um grande círculo e peça para que cada grupo socialize seus registros questão por questão. Ao final da discussão de cada questão, monte, juntamente com os alunos, uma resposta coletiva que deverá ser registrada no caderno.

O link a seguir apresenta uma atividade experimental que utiliza um LDR: http://www.feiradeciencias.com.br/sala15/15_25.asp acesso em 12/10/2010. 

Neste link apresenta a definição, construção e aplicações de um rêles: http://eletronicos.hsw.uol.com.br/rele.htm acesso em 12/10/2010. 

O vídeo a seguir apresenta um circuito eletrônico semelhante ao de um poste. A qualidade do vídeo está baixa mas é possível verificar as lâmpadas acendendo e apagando além do som do relés: http://www.youtube.com/watch?v=OamVcznyvjA acesso em 12/10/2010. 

Realize algumas perguntas para verificar se os alunos conseguiram conseguem explicar como a luz do poste ascende. É importante que eles saibam identificar os três principais componentes eletrônicos presentes.

Os alunos serão avaliados na apresentação dos cartazes, na elaboração da tabela da atividade 2 e na construção das respostas da atividade 3.