Objetivos da aula

·         Perceber que a tensão fornecida por uma pilha ou bateria não depende de seu tamanho.

·         Medir valores de tensão elétrica com um voltímetro.

·         Entender a diferença entre pilhas novas e velhas.

·         Montar circuitos em série e em paralelo.

·         Entender que a tensão elétrica de uma pilha varia se ela estiver ou não ligada a um circuito.

Aplicar o princípio de conservação da energia ao estudo dos circuitos elétricos.

O autor desta aula também escreveu e submeteu, ao Portal do Professor, a aula “Usando o Amperímetro para investigar circuitos elétricos”. Naquela aula foram dadas orientações para outro uso do Multímetro no estudo de circuitos elétricos. Nesta aula serão dadas orientações para o uso de um Multímetro configurado como voltímetro. Para o estudo dos circuitos elétricos recomendamos que as duas aulas sejam trabalhadas na mesma ordem em que foram mencionadas aqui.

Materiais:

• Um multímetro digital;
• Uma pilha D de 1,5 Volts nova;
• Uma pilha D de 1,5 Volts velha;
• Uma pilha AA de 1,5 Volts nova;
• Duas lâmpadas de lanterna que possam brilhar ao serem ligadas, individualmente, a uma pilha de 1,5 Volts.
• 1 metro de cabo elétrico fino e flexível.

Estratégias e recursos da aula

1ª Atividade – Que diferença há entre pilhas grandes e pequenas?

Introdução:

Existem pilhas com diversos formatos e tamanhos. Entre as mais comuns estão as pilhas dos tipos: AAA (conhecidas como pilhas palito); AA (conhecidas como pilhas pequenas); D (conhecidas como pilhas grandes). Mas, quais são as características, vantagens e desvantagens desses vários tipos de pilha?

Para responder a essa questão, recomendamos a realização das explorações seguintes.

Exploração 1 (da 1ª Atividade): Comparando o brilho da lâmpada conectada a pilhas grandes ou pequenas

Observe a aparência e as informações inscritas em duas pilhas novas: uma delas pequena (tipo AA) e a outra grande (tipo D). Com base nessas observações, faça uma previsão: quando ligada a uma bateria AA, uma lâmpada de lanterna exibirá um brilho maior, menor ou igual àquele exibido na situação em que a lâmpada for ligada a uma bateria D?

Feita sua previsão, monte um circuito simples utilizando a lâmpada de lanterna, um pedaço de cabo elétrico com 20 cm e uma das pilhas. Observe o brilho da lâmpada e troque a pilha. Após ver e comparar o brilho da lâmpada ligada a cada uma das pilhas identifique as informações inscritas naspilhas que possam lhe ajudar a interpretar o resultado observado.

Exploração 2 (da 1ª Atividade): Comparando o brilho da lâmpada conectada a pilhas novas e velhas

Repita os procedimentos sugeridos na exploração anterior, mas, desta vez, utilize uma pilha tipo AA nova e uma pilha tipo D bem velha. Compare o brilho da lâmpada nas duas situações. Nessa nova situações, é possível identificar informações inscritas naspilhas capazes de justificar o resultado observado? Explique.

Exploração 3 (da 1ª Atividade): Usando um voltímetro para investigar a situação

Na aula “Usando o amperímetro para investigar circuitos elétricos”, submetida ao Portal do Professor pelo autor desta aula, introduziu-se o uso do multímetro para fazer medidas de corrente elétrica. Agora o multímetro deverá ser utilizado para medir tensão elétrica, uma grandeza vulgarmente conhecida como “voltagem”.

Mas, atenção: é importante consultar um professor antes de ligar o aparelho medidor ao circuito, pois, há risco pessoal e patrimonial decorrente do uso descuidado de multímetros.

Se o multímetro estiver configurado como um amperímetro (medidor de corrente elétrica) ele jamais poderá ser ligado do mesmo modo que um voltímetro. Caso isso aconteça, o aparelho será imediatamente danificado.

Para qualquer medida com um multímetro sempre utilizamos dois terminais, isto é, dois cabos ligados ao aparelho. Um deles é o terminal comum (cabo azul ou preto) que nunca sai da posição. O posicionamento do segundo terminal (cabo vermelho) depende de que tipo de medida se deseja fazer.

Além de colocar os cabos nos terminais adequados, precisamos escolher corretamente a posição da chave seletora. Ao coordenar essas duas ações (escolha da posição da chave seletora e do terminal no qual será ligado o cabo vermelho), nós podemos transformar um multímetro em um voltímetro ou medidor de tensão elétrica.

Para posicionar corretamente a chave seletora é oportuno ter alguma ideia do valor que será medido. Isso porque cada posição da chave está associada a um determinado “fundo de escala”. O fundo de escala é a maior medida que o aparelho pode realizar em uma determinada configuração. Se o valor a ser medido for maior que o fundo de escala, a medida não será realizada e o aparelho poderá ser danificado. Por outro lado, se o valor a ser medido for muito pequeno em relação ao fundo de escala, o aparelho pode indicar o valor zero quando, na verdade, existe um valor diferente de zero a ser medido.

No caso da medida de voltagem de uma pilha, a informação 1,5 Volts, que aparece impressa na própria pilha, nos autoriza a escolher os fundos de escala 2 Volts ou 20 Volts para fazer as medidas. Todavia, quando não temos a menor ideia do valor que iremos medir, precisamos sempre configurar o aparelho no maior fundo de escala disponível. Se o valor medido for igual a zero, mudamos a posição da chave seletora escolhendo um fundo de escala menor para realizar novamente a medida e, assim, sucessivamente.

Outra informação importante sobre medidas de voltagem, diz respeito à existência de fontes de tensão elétrica direta (sigla DCV, em inglês) e de tensão elétrica alternada (sigla ACV, em inglês). Uma fonte de tensão é um dispositivo que utiliza uma forma de energia qualquer para produzir uma polaridade elétrica em seus dois terminais. Nas fontes de tensão elétrica direta (DCV) um desses terminais permanece todo o tempo como um polo positivo, enquanto o outro permanece como um polo negativo. Nas fontes de tensão elétrica alternada (ACV) cada terminal oscila apresentando-se ora em um polo positivo, ora em um polo negativo. A todo e qualquer instante, porém, um dos terminais da fonte é positivo enquanto o outro é negativo.

Devido à existência desses dois tipos de fonte de tensão elétrica (direta ou alternada) torna-se necessário observar o posicionamento correto da chave seletora de um multímetro configurado como voltímetro. As pilhas e baterias são fontes de tensão direta e, por essa razão, a chave seletora do multímetro deve ser posicionada na região das medidas em que a sigla DCV aparece.

Utilizando um multímetro configurado como voltímetro, meça a tensão elétrica na pilha tipo AA nova e nas pilhas tipo D nova e velha. Para isso, peça a seu professor para verificar se você colocou os cabos nos terminais corretos e girou a chave do aparelho para a região que mede tensão (ou voltagem) direta. As medidas feitas pelo aparelho são coerentes com as observações realizadas nas explorações 1 e 2? Explique.

2ª Atividade – A tensão em uma pilha varia se ela estiver conectada a um circuito?

Na 3ª Exploração da 1ª Atividade, você configurou um multímetro como um voltímetro e o utilizou para medir a tensão de pilhas desconectadas de um circuito elétrico. No lado esquerdo da figura apresentada neste linkhttp://pontociencia.org.br/galeria/#/content/Fisica/Eletromagnetismo/Sera%20que%20a%20tensao%20em%20pilha%20conectada%20a%20um%20circuito%20varia.jpg há um esquema que mostra o tipo de ligação que você realizou. A mesma figura, contudo, nos mostra que existe outro modo de usar o voltímetro para medir a tensão elétrica. No esquema mostrado à direita, o voltímetro foi conectado a uma fonte de tensão que está ligada a um aparelho consumidor de energia elétrica. Será que as medidas do voltímetro para uma mesma pilha serão iguais nessas duas situações?

Para responder a essa questão, após configurar corretamente o aparelho e introduzi-lo de forma apropriada no circuito, reproduza os dois esquemas e compare as leituras de tensão em uma pilha nova e em uma pilha velha. O que essa comparação revela acerca das diferenças entre pilhas novas e velhas?

O texto a seguir contém informações relacionadas a esse experimento realizado. Leia-o com atenção e discuta com seus colegas como utilizar essas informações para explicar o que foi observado.

A função de uma bateria ou pilha é estabelecer e manter um polo positivo e outro negativo em dois pontos de um circuito elétrico. Essa concentração de cargas elétricas, ou polaridade, produz uma força elétrica que desloca elétrons no interior dos materiais metálicos que compõem o circuito. Se a pilha ou bateria estiver isolada, as cargas acumuladas em seus terminais se manterão praticamente “estáticas”. Contudo, se os terminais da pilha ou bateria estiverem ligados a uma lâmpada, por meio de fios de ligação, o elétrons em excesso em um dos polos da pilha ou bateria tenderão a fluir pelo circuito até alcançarem o polo positivo. Para permitir que os elétrons em excesso e a falta de elétrons permaneçam existindo nos dois polos, deve ocorrer um deslocamento contínuo de elétrons no interior da pilha ou bateria. Isso acontece devido a uma reação química que retira elétrons do polo positivo e concentra esses elétrons no polo negativo. A velocidade dessa reação química não é infinita e, por isso, no momento em que a bateria é conectada a uma lâmpada, podem chegar mais elétrons no polo positivo do que a bateria consegue recolocar no polo negativo. Se isso acontecer, a polaridade nos terminais da bateria irá cair.

3ª Atividade –As medidas de tensão são coerentes com a Lei da Conservação da Energia?

As medidas de voltagem podem ser realizadas em trechos específicos de um circuito que contêm dois ou mais elementos associados em série ou em paralelo, como mostra a imagem disponível neste link http://pontociencia.org.br/galeria/#/content/Fisica/Eletromagnetismo/Voltimetro%20em%20lampada%20inserida%20em%20circuito%20serie.jpg. As medidas realizadas devem fornecer valores que estejam em acordo com a Lei da Conservação da Energia. Tal Lei, aplicada ao contexto específico dos circuitos elétricos, afirma o seguinte:

       I.            a fonte de tensão (ou fonte de polaridade) utiliza certa quantidade de energia para deslocar cada Coulomb de carga elétrica de um de seus polos ao outro;

    II.            essa energia, que é necessária à manutenção da polaridade no circuito, será transformada em outras formas de energia nos diversos “aparelhos consumidores” situados ao longo do circuito;

1. a energia “fornecida” pela fonte de tensão para deslocar cada Coulomb de carga elétrica, e assim manter a polaridade no circuito, é, necessariamente, igual à soma das quantidades de energia transformadas pelos “aparelhos consumidores” quando cada Coulomb de carga elétrica os atravessa.

Para compreender como aplicar a Lei da Conservação de Energia no estudo dos circuitos elétricos, recomendamos a realização dos procedimentos propostos a seguir.

1)      Orientando-se pela figura acima mencionada, ligue duas lâmpadas em série a uma mesma fonte de tensão. Meça a voltagem da fonte de tensão e meça também a voltagem nos terminais de cada uma das lâmpadas. Considere que a voltagem da fonte nos informa a quantidade de joules que ela utiliza para transportar cada Coulomb de carga elétrica entre seus terminais, de modo a manter a polaridade. Sendo assim, você diria que as medidas de voltagem realizadas nos terminais da fonte e das duas lâmpadas confirmam a lei da conservação da energia apresentada na introdução desta atividade?

Em seguida, oriente-se pela imagem disponível neste novo link http://pontociencia.org.br/galeria/#/content/Fisica/Eletromagnetismo/Voltimetro%20em%20lampada%20inserida%20em%20circuito%20paralelo.jpgpara ligar duas lâmpadas em paralelo e medir a voltagem nos terminais das lâmpadas. Feito isso, você precisará configurar o multímetro como amperímetro para medir a corrente que passa em cada uma das lâmpadas isoladamente. Contudo, não faça isso sem a orientação e a aprovação de seu professor, pois, um multímetro configurado como um amperímetro (medidor de corrente elétrica) jamais poderá ser ligado do mesmo modo que um voltímetro ao circuito. Caso isso aconteça, o aparelho será imediatamente danificado. A imagem disponível neste linkhttp://pontociencia.org.br/galeria/#/content/Fisica/Eletromagnetismo/Amperimetro%20em%20lampada%20inserida%20em%20circuito%20paralelo.jpg] mostra como a ligação do amperímetro deve ser realizada. Levando em consideração as medidas de tensão e corrente que foram realizadas, responda: você diria que as medidas que você fez confirmam a lei da conservação da energia apresentada na introdução desta atividade?

Sugestões de links

1.    O autor desta aula é também um dos principais colaboradores do Projeto Pontociencia (http://pontociencia.org.br/), um portal na internet que apresenta sugestões de atividades práticas ou experimentais para o ensino e a aprendizagem das ciências da natureza. Um bolsista que trabalhou sob a orientação do autor postou, no site do projeto, um experimento que foi concebido para esta aula. Esse experimento pode ser acessado neste link [http://pontociencia.org.br/experimentos-interna.php?experimento=968&BATERIAS+GRANDES+OU+PEQUENAS].

Outros links, veja também.

1.       Site criado pelo autor desta aula para permitir o acesso de seus estudantes a materiais criados para dar suporte ao ensino e à aprendizagem da Física. https://sites.google.com/site/1anofisicacoltecufmg/

2.       Identificando elementos de um circuito

Experimento prático

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/20737

3.       Voltímetro em lâmpada inserida em um circuito em série

Imagem

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/23286

4.       Voltímetro em lâmpada inserida em um circuito em paralelo

Imagem

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/23307

5.       Ligações entre uma lâmpada, uma pilha e um pedaço de fio

Imagem

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/23259

6.       Pisca-pisca de Natal: parte 1: experimento prático

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/17831

7.       Pisca-pisca de Natal: parte 2: vídeo

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/18343

8.       Circuitos elétricos

Animação/Simulação

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/9582

9.       Analogia Elétrico-hidráulica 1 - Circuito simples

Imagem

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/23218

10.   Analogia elétrico-hidráulica 2 - Em série

Imagem

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/23219

11.   Analogia elétrico-hidráulica 2 - Em paralelo

Imagem

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/23220

A avaliação deve ser consistente com o que propõem os objetivos de aprendizagem descritos no item “O que o aluno poderá aprender com esta aula”. Alguns exercícios de lápis e papel similares aos que apresentamos a seguir podem ser usados tanto para transferir a responsabilidade aos estudantes pelo uso dos conhecimentos construídos ao longo da aula, quanto para identificar eventuais dificuldades de compreensão dos conceitos e relações que estruturam a atividade.

Questões:

Questão 1

Por que nunca se pode ligar o amperímetro em paralelo com uma fonte de tensão? Que tipo de dano pode ser causado ao aparelho?

Questão 2

Vimos que uma pilha nova e grande não faz uma lâmpada ligada a ela brilhar mais que uma ligada a uma pilha nova e pequena. Qual é, então, a vantagem de usar uma pilha grande ao invés de uma pilha pequena?

Questão 3

Em um circuito no qual duas lâmpadas estão ligadas em série, a corrente que passa pela primeira lâmpada é maior, menor ou igual à que passa na segunda lâmpada? Explique.

Questão 4

Sabendo qual é a voltagem estabelecida pela fonte de um circuito formado pela ligação em série de duas lâmpadas idênticas: (a) como calcular a voltagem estabelecida nos terminais de cada lâmpada?; (b) como medir a voltagem estabelecida nos terminais de cada lâmpada? (c) as voltagens medidas nos terminais das lâmpadas são iguais ou diferentes entre si?

Questão 5

Em um circuito no qual duas lâmpadas estão ligadas em paralelo:

(a) a tensão na primeira lâmpada é maior, menor ou igual à tensão na segunda lâmpada? Explique.

b) a corrente nas duas lâmpadas é igual ou diferente? Como calcular e como medir a corrente em cada lâmpada?