• Entender os aspectos básicos do problema da obtenção de energia para acionamento de dispositivos de uso cotidiano.
• Verificar que pilhas de construção caseira geralmente não fornecem energia de modo eficiente para acionar um pequeno motor.
• Verificar como a energia dessas pilhas caseiras pode ser armazenada para alimentar processos úteis no cotidiano.

• Cargas elétricas e corrente elétrica.
• Construção de pilhas com limão ou batata.
• Diferença de potencial elétrico.
• Saber usar um multímetro para medir diferença de potencial elétrico.

Com a realização das atividades propostas nesta aula, os alunos terão contato com o problema da obtenção e armazenamento de energia, tema bastante atual tendo em vista o aumento sistemático da demanda de energia para o funcionamento de dispositivos de uso cotidiano. Serão exploradas duas situações: a geração de energia por pilhas construídas de modo simples e sua utilização 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 poderão verificar que a energia gerada pelas pilhas de limão, quer seja usada de modo direto ou armazenada num capacitor, consegue acionar e manter em funcionamento um relógio digital, dispositivo que demanda uma quantidade de energia muito pequena para funcionar. Eles também poderão verificar que essas mesmas pilhas não conseguem fornecer energia de modo eficaz para acionar um pequeno motor elétrico. Desse modo, a observação e discussão de diversos fenômenos relacionados aos conteúdos de física abordados na aula fornecerão elementos para que os alunos façam uma relação direta entre o tema estudado e outros assuntos de interesse, tratados no dia-a-dia das pessoas. Por exemplo, poderão constatar que, mesmo gerando uma diferença de potencial, ddp, igual à das pilhas comercializadas, as pilhas caseiras são muito menos eficientes e se mostram ineficazes para a realização de algumas tarefas. Esse fato não só permite a exploração da relação entre ddp e energia, mas também leva a uma produtiva discussão sobre a dificuldade de se obter uma fonte eficiente de energia para uso cotidiano e a uma percepção da importância das pesquisas realizadas para aumento da eficiência dessas fontes, o que, dentre outras coisas, permite a redução do impacto ambiental causado pelo aumento da demanda pelo uso delas.

O professor dividirá a turma em grupos de, no máximo, 5 estudantes. As atividades serão realizadas num laboratório de Física e, além dos materiais, serão utilizados recursos multimídia (computador conectado à internet e projetor multimídia) para a apresentação de pequenos vídeos e exposição de alguns conceitos.

No início da aula, o professor pode dizer aos alunos da importância 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 também ao uso correto, do ponto de vista ambiental. Para que se entenda o processo envolvido na obtenção e acúmulo de energia elétrica para utilização em dispositivos, serão realizadas algumas atividades em que a energia é obtida a partir de pilhas de construção caseira e acumulada em capacitores. A eficácia dessas pilhas e dos capacitores carregados para o acionamento de alguns dispositivos será testada.

Atividade 1. Uso da pilha de limão para acionamento de alguns dispositivos

Material

–  2 metades de limão.
–  2 placas de cobre.
–  2 placas de zinco.
–  1 relógio digital que funciona com pilha de 1,5 V.
–  1 motor elétrico de 3V.
–  1 voltímetro.
–  1pilha AA de 1,5 V.
–  Fios para conexão com garras jacarés nas pontas.

Observações: O material acima é suficiente para a realização do experimento por um grupo de estudantes. O motor elétrico de 3 V e o relógio digital podem ser adquiridos em lojas que vendem componentes eletrônicos ou ainda em kits didáticos para ensino de eletricidade e eletrônica. As placas de cobre e zinco podem ser improvisadas com moedas de 5 centavos de real (de cobre) e pedaços de folhas de zinco usadas na confecção de calhas para escoamento de água. O professor deve tomar precauções em relação ao uso dos pedaços de folhas de zinco, pois costumam ficar bordas cortantes. Ele pode limar os pedaços, que devem ser pequenos (até 5 cm). É possível ainda usar materiais feitos de outros metais, como clips e pregos, em substituição às placas de zinco.

Procedimento

O professor pedirá aos alunos que montem duas pilhas de limão, conforme procedimento encontrado em

Construção de pilhas (eletroquímica) — aula do Portal do Professor. Disponível em: <http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=33527>. Acesso em: 16 abr. 2012.

Após a montagem das pilhas, os alunos devem verificar, utilizando o voltímetro, a diferença 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 série e verificar a ddp entre os terminais da associação (eles deverão encontrar um valor que é praticamente o dobro daquele medido para uma única pilha, como pode ser observado na figura 1).

Fig. 1 – Pilhas de limão associadas em série (ddp de 1,905 V). Elas fazem funcionar um relógio digital.    (Foto produzida pelo autor)

Dando sequência à atividade, os alunos devem conectar a pilha AA, de 1,5 V, ao motor elétrico e ao relógio, verificando o funcionamento pleno desses dispositivos. Em seguida, eles devem verificar que a associação de pilhas de limão faz funcionar o relógio digital, como pode ser observado no seguinte vídeo

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

Constatado o funcionamento do relógio digital, os alunos devem conectar a associação de pilhas de limão ao motor elétrico e verificar se ele será acionado. Eles irão constatar que a associação de pilhas de limão não aciona o motor, como pode ser observado no vídeo

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

O professor pode comentar que as pilhas de limão (mesmo associadas), embora forneçam uma ddp até superior àquela fornecida pela pilha AA (pilha comercializada), não conseguem acionar dispositivos cujo funcionamento necessite de correntes elétricas mais intensas. O professor pode fazer a seguinte analogia, para ilustrar esse fato: na ponta de um cigarro aceso, a temperatura atinge 300 ºC. Apesar de estar em alta temperatura, a ponta do cigarro não é capaz de fazer ferver a água contida numa tampa de refrigerante. Portanto, a alta temperatura da ponta do cigarro não implica em grande quantidade de energia. Outro aspecto interessante que pode ser comentado é que utilizar pilhas construídas com frutas, tubérculos (batatas), refrigerante e outros, em larga escala, poderia levar a um desequilíbrio no fornecimento de alimentos para nosso consumo. Atualmente, esse desequilíbrio pode ser observado na divisão que ocorre no plantio da cana de açúcar para produção de alimentos e de álcool combustível. O mesmo acontece com o biodiesel, que vem utilizando soja em sua produção.

Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às 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 única pilha.

- Por que a pilha de limão, fornecendo ddp até superior a 1,5 V, não faz funcionar o motor?

Resposta esperada:

Porque não é uma pilha eficiente, ou seja, não consegue sustentar uma corrente elétrica capaz de fazer o motor funcionar.

Atividade 2.  armazenamento de carga da pilha de limão num capacitor

Material

–  pilhas de limão conectadas em série, montadas na atividade 1.
–  1 relógio digital que funciona com pilha de 1,5 V.
–  fios para conexão com garras jacarés nas pontas.
–  um capacitor de 100 micro Farad por 250 V.
– 1 motor elétrico de 3V.
– 1 voltímetro.

Observação: O material acima é suficiente para a realização do experimento por um grupo de estudantes. O capacitor pode ser adquirido em lojas que vendem componentes eletrônicos ou ainda em kits didáticos para ensino de eletricidade e eletrônica.

Procedimento

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

Dando sequência à atividade, os estudantes deverão observar que, enquanto o capacitor está conectado à pilha, ele adquire carga elétrica, uma ddp entre seus terminais e também energia potencial elétrica. O capacitor que é utilizado nesse experimento atinge seu carregamento pleno em poucos segundos. Em seguida, os estudantes devem desconectar o capacitor da pilha e verificar, utilizando o multímetro, que a ddp entre os terminais do capacitor, já desconectado da pilha, é igual àquela observada entre os terminais da pilha.

Fig. 2 – Capacitor carregado pelas pilhas de limão associadas em série.  (Foto produzida pelo autor)

Dando sequência à atividade, os estudantes devem conectar o capacitor carregado ao relógio digital e depois ao motor elétrico. Eles irão constatar que, do mesmo modo que ocorre com a associação de pilhas, o capacitor carregado faz funcionar o relógio digital, mas não consegue acionar o motor.

Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:

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

Resposta esperada:

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

- O que poderia ser feito para armazenar mais carga?

Resposta esperada:

Utilizar capacitores de maior capacitância e associados em paralelo.

Atividade 3.  Observação do processo de descarga do capacitor

Material

–  pilhas de limão conectadas em série, montadas na atividade 1.
–  1 relógio digital que funciona com pilha de 1,5 V.
–  fios para conexão com garras jacarés nas pontas.
–  um capacitor eletrolítico de 100 micro Farad por 250 V (ou outro de capacitância entre 50 e 500 micro Farad por uma ddp superior a 1,5 V).
 

Procedimento

Os estudantes deverão carregar novamente o capacitor, utilizando a associação de pilhas de limão, anteriormente montada. Em seguida, eles devem desconectar o capacitor da associação de pilhas e conectá-lo ao voltímetro e ao relógio digital. Feitas as conexões, eles deverão verificar que, com o passar do tempo, a diferença de potencial do capacitor diminui quando ele é conectado ao relógio. Essa diminuição da ddp entre os terminais do capacitor, que é relacionada ao consumo de energia para funcionamento do relógio, pode ser observada no seguinte vídeo

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

O professor poderá comentar que a carga elétrica armazenada no capacitor está relacionada à ddp entre seus terminais e também à energia armazenada nele. Consequentemente, há uma diminuição da carga e da energia armazenadas, ao mesmo tempo em que a ddp diminui.

Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:

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

Resposta esperada:

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

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

Resposta esperada:

Sim. A energia do capacitor seria consumida da mesma forma. A diferença é que essa mesma energia pode fazer o relógio digital funcionar mas não consegue iniciar o funcionamento do motor.

Após a realização dessas atividades, o professor promoverá uma discussão entre os alunos sobre o problema de armazenamento de energia elétrica para uso eficaz em dispositivos de uso cotidiano. Algumas questões importantes devem ser colocadas para nortear a discussão:

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

Resposta esperada: a capacitância.

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 elétrico?

Resposta esperada: usar um capacitor com capacitância bem maior ou associar vários capacitores para obter uma capacitância equivalente bem maior.

3 – Qual a diferença 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, através de um mecanismo que envolve reações químicas, mantém uma ddp entre seus terminais enquanto esse mecanismo estiver operante.

4 – Qual a diferença entre pilha e bateria?

Resposta esperada: A bateria é uma associação de pilhas em série.

A partir dessa discussão, com a contribuição do professor, essas questões serão respondidas e outros aspectos importantes do problema de armazenamento e uso da energia elétrica em dispositivos poderão ser abordados. Como exemplo, podemos citar a necessidade cada vez maior da utilização de pilhas e baterias, a busca incessante do aumento da eficiência delas e o impacto ambiental que essa demanda tem provocado, uma vez que, pelo menos no Brasil, a destinação final da grande maioria dessas pilhas e baterias é o lixo comum, causando contaminação do meio ambiente por metais pesados.

- Para construção de pilhas com eletrodos de cobre e magnésio (performance muito boa), utilizando materiais de baixo custo, consulte o material disponível em:

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

- Uma discussão sobre utilização do biocombustível,  citada na atividade 2 como possível causa de desequilíbrio no fornecimento de alimentos, é encontrada no material disponível em:

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

- Para mais informação sobre as pilhas e sua utilização, acesse:

<http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/18510/video.html?sequence=2>. Acesso em: 27 jul. 2012.

- Para mais informação 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.

Após a realização dessa aula sobre utilização de pilhas de limão no funcionamento de dispositivos, o estudante deverá ser capaz de:

• Compreender que uma pilha construída com limão não é muito eficiente, não sendo capaz de movimentar um motor elétrico de 3V, por exemplo.
• Entender que uma pilha de limão pode ser utilizada para carregar um capacitor e que esse capacitor carregado pode manter, por algum tempo, um dispositivo funcionando (um relógio digital, por exemplo).
• Entender que a ddp entre os terminais do capacitor (e mesmo entre os terminais da pilha de limão) diminui quando são utilizados para manter o funcionamento de um dispositivo e que essa diminuição da ddp está relacionada com a perda da carga armazenada e da energia elétrica acumulada.

O professor poderá solicitar a cada equipe de estudantes que faça trabalho de pesquisa tratando da investigação do que ocorre com a ddp entre os terminais da associação de pilhas de limão com o passar do tempo e ainda como a utilização da energia dessa associação de pilhas, para alimentar dispositivos, influencia essa ddp. Ele pode solicitar aos estudantes que produzam vídeos para enriquecerem a apresentação no trabalho. As equipes deverão discutir seus resultados e suas conclusões.

O professor poderá lançar um desafio para os alunos: encontrar uma solução para o problema do armazenamento eficaz de energia elétrica em capacitores. Eles poderão utilizar capacitores na montagem de um dispositivo que consiga armazenar energia em quantidade suficiente para acionar o motor elétrico. As propostas deverão ser apresentadas pelos grupos, que explicarão como funciona o dispositivo e comprovarão sua eficiência demonstrando que ele pode, ao armazenar energia, acionar o motor elétrico de 3 V.