Com estas aulas os alunos irão compreender o que é o Efeito Joule e o quanto ele está presente no nosso dia a dia.

* Circuito elétricos.

As estratégias utilizadas serão:
• Aula interativa;
• Aula conceitual;
• Uso do Laboratório de Informática ou Sala de Vídeo, pois o vídeo proposto pode ser salvo em DVD;
• Desenvolvimento de um experimento. Observamos que o professor deverá solicitar previamente aos alunos os materiais (como segue na Tabela 1 abaixo) necessários para a realização do experimento nestas aulas.

Motivação:

Sugerimos que o professor, após pedir para que os alunos formem grupos de quatro a cinco integrantes, pergunte a eles por que vários equipamentos elétricos quando ligados a rede elétrica por um tempo esquentam, como por exemplo, lâmpadas incandescentes (Fig. 1), monitores de computadores, vídeos-game etc.

Figura 1 – Lâmpada.
Imagem disponível em: http://www.alunosonline.com.br/img/lampada.jpg. Acesso em: 02 Set. 2009

Favoreça a discussão entre os alunos questionando-os com as seguintes perguntas:

• Esse efeito (aquecimento do equipamento) tem alguma relação com a corrente elétrica que passa pelos equipamentos?
• Esse aquecimento acontece com todos os equipamentos elétricos?
• Esse aquecimento é favorável ou desfavorável para o equipamento?

Após, ouvir as opiniões dos alunos, o professor deverá dizer que estas questões poderão ser esclarecidas durante o decorrer destas aulas.

Atividade 1

Neste momento, o professor deverá apresentar o recurso (que se trata de uma experiência) postado abaixo.

Recurso: Fritador de Salsichas
Link do Recurso no site Feira de Ciências:
http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_30.asp

Este experimento (Fig. 2) consiste em demonstrar o Efeito Joule e que podemos utilizá-lo para fritar uma salsicha.

Figura 2 – Representação da experiência.
Imagem disponível em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/image12/12_30_01.jpg. Acesso em: 02 Set. 2009

Neste experimento será visualizada a manifestação do efeito Joule, usando uma salsicha como condutor elétrico. 

Observamos que a lista de materiais necessários para a realização desta experiência encontra-se na Tabela 1 abaixo.

Tabela 1 – Lista de Materiais

Figura 3 – Terminais Sindal.
Imagem disponível em: http://www.soldafria.com.br/images/barra_sindal.jpg. Acesso em: 09 Set. 2009

Em relação à montagem do experimento, o professor deverá dar as seguintes instruções aos alunos:

• Os garfos de aço inox deverão ser cortados com o alicate, ficando apenas 1,5 cm de seu 'cabo', onde deverão se r feitos furos com o martelo e o prego, para passar parafuso e a seguir dobrados em ângulo de 90o. Os parafusos fixam tanto os garfos como seus fios (Fig. 4).

Figura 4 – Representação da experiência.
Imagem disponível em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/image12/12_30_02.jpg. Acesso em: 02 Set. 2009

• Fixem o terminal “Sindall” na ponta da base (Fig. 5);
• Em um dos contatos do terminal deverá sair um fio (azul no exemplo) que é ligado a um dos terminais do soquete da lâmpada (Fig. 5);

Figura 5 – Representação da experiência.

• Do outro contato do terminal sai outro fio (vermelho no exemplo) que é ligado a um dos garfos. O terminal restante do soquete da lâmpada é ligado ao outro garfo (Fig. 4);
• Comecem espetando os extremos da salsicha nos garfos, como na figura 6. A seguir, enrosque uma lâmpada de 127V, 40W no soquete.

Figura 6 – Representação da experiência.

Observação: Se a rede elétrica for de 220VAC, troque a lâmpada citada por outra de 220V, 40W.

• Liguem os fios da corrente elétrica nos terminais “Sindall”.

Atenção: Este é um experimento didático e não um fritador de salsichas profissional! Se for comer a salsicha (não custa nada dar uma experimentada no sabor!), corte as regiões onde os garfos foram espetados, pois ali ficará uma marca escura devido aos subprodutos da eletrólise com as pontas de aço inox.

Peça para os alunos repararem na salsicha, pois ela começará a se aquecer e, algum tempo depois, começará a inchar devido à formação de gases provenientes da 'fritura'. O tempo certo de fritura dependerá de vários fatores e, entre os principais estarão: a potência da lâmpada instalada em série com a salsicha e a própria salsicha. Se quiser diminuir o tempo de cozimento basta trocar a lâmpada de 40W por outra de 60W ou ainda por outra de 100W - quanto maior a potência da lâmpada, menor a resistência de seu filamento e conseqüentemente maior será a intensidade de corrente para a salsicha.

Importante:

Pergunte aos alunos o por que da salsicha aquecer e a lâmpada acender. A corrente elétrica tem alguma coisa a ver com isto? E a salsicha é um condutor elétrico? Visto que a lâmpada acende como se tivéssemos um circuito fechado. Favoreça que os alunos concluam que a corrente elétrica passa pela salsicha e chega a lâmpada, acendendo-a.

Sugerimos que o professor discuta com os alunos a idéia do aquecimento da salsicha e compare este fenômeno com outros equipamentos elétricos (por exemplo, secador de cabelo, chapinha, computador etc.) e os questione se há alguma relação entre eles. O professor poderá perguntar aos alunos sobre a capacidade elétrica da salsicha e favorecer que eles percebam que ela também é um condutor elétrico, como os metais, grafite, água etc., mas só que mais fraco.

Explique aos alunos que a salsicha é realmente um condutor iônico de corrente elétrica (íons com carga positiva e negativa transportam a corrente elétrica), tanto é que a lâmpada colocada em série acendeu! Se a salsicha fosse isolante isso não aconteceria. O calor transferido para os ingredientes da salsicha determinaram sua 'fritura' e esse calor é proveniente da energia térmica em trânsito desde os locais por onde passa corrente elétrica e as demais partes da salsicha. Fica constatado o efeito Joule.

Atividade 2

Em seguida, o professor deverá pedi r para os alunos acessarem o recurso, postado abaixo, que se trata de um vídeo (Fig. 7) de 5 minutos e 04 segundos, cujo objetivo é demonstrar o que é o Efeito Joule e como ele age aquecendo os equipamentos que utilizam Energia Elétrica.

Recurso: Física Creciem
Link do Recurso no site do Youtube:
http://www.youtube.com/watch?v=r6sUqA5ErCE

Figura 7 – Imagem do vídeo.

Sugestão: O professor, se preferir, poderá gravar o vídeo em DVD e apresentá-lo aos alunos na Sala de Vídeo da escola, de forma que todos possam assisti-lo ao mesmo tempo.

Para demonstrar o Efeito Joule é feita uma experiência, na qual é demonstrado o conceito de transformação de Energia Elétrica em Térmica num equipamento elétrico utilizado no cotidiano das pessoas. Na experiência é ligado um transformador na tomada para que ele transforme a corrente de 220 V para 12 V e os fios são colocados numa palha de aço. Desta forma, é visualizado que essa palha esquenta tanto que pode vir a pegar fogo e, que emite luz pelo aumento da temperatura.

Já na demonstração do equipamento elétrico, é utilizado um secador de cabelo convencional, este funciona da seguinte forma: dentro dele existe uma resistência que com o passar da corrente elétrica aumenta a temperatura; atrás do secador tem um cooler (pequeno ventilador) que empurra o ar para dentro do secador. Dentro do secador a resistência aquece o ar que entra através do cooler e sai quente pela ponta do secador (Fig. 8).

Figura 8 – Secador de cabelo.
Imagem disponível em: http://hairexperts.blogtv.uol.com.br/img/image/HairExperts/2008/2009/Fevereiro/secador.jpg. Acesso em: 09 Set. 2009

Importante:

Pergunte aos alunos se o efeito Joule é favorável ou não para nós. Após ouvir as opiniões dos alunos, favoreça que eles percebam que para alguns equipamentos este efeito é totalmente favorável (por exemplo, secador de cabelo, chapinha, torradeira elétrica etc.) já para outros equipamentos este efeito é muito desfavorável (por exemplo computador, televisores, monitores de computador etc.)

Retome a pergunta inicial (dos equipamentos elétricos) e favoreça com que os alunos compreendam, utilizando as idéias vistas no experimento e no vídeo, que quando um equipamento elétrico utiliza energia elétrica, com certeza ele perderá parte desta energia em térmica.

Pergunte aos alunos se podemos usar algum material para diminuir este efeito, uma vez que não conseguimos evitá-los.

Após discutir com os alunos, ajude-os a compreender que em alguns equipamentos tentamos combater ao máximo este efeito, um exemplo muito comum é o processador do computador (Fig. 9). Na área de Cerâmicas, um ramo da Física, são pesquisados vários tipos de cerâmicas que diminuem essa perda de calor no processador.

Figura 9 – Processador de computador.
Imagem disponível em: http://proavirtualg13.pbworks.com/f/processador1.jpg. Acesso em: 03 Set. 2009

SUGESTÃO

Questione os alunos sobre como podemos evitar os desperdícios de energia nos equipamentos elétricos ou redes elétricas (Fig. 10).

Figura 10 – Red e elétrica.
Imagem disponível em: http://images.quebarato.com.br/photos/big/2/3/362423_2.jpg. Acesso em: 03 Set. 2009

Ajude com que os alunos compreendam que uma das conseqüências da ineficiência em processos, instalações e equipamentos, é o aumento das perdas por Efeito Joule. Essas perdas são função da corrente e da resistência, e ocorrem em transformadores, sistemas de transmissão e distribuição, circuitos terminais e motores, geralmente por estarem operando fora das condições de projeto, devido principalmente a modificações realizadas nas instalações ao longo do tempo, sendo conseqüência de:

• Emendas mal feita;
• Utilização de materiais de má qualidade (fios de 2ª categoria, materiais elétricos feitos de metais ferrosos banhados de cobre ou latão);
• Desbalanceamento de fases;
• Sobrecarga nos circuitos e transformadores;
• Motores sub ou super dimensionados; etc.

Teoria e experimentos:
http://www.efeitojoule.com/2008/04/efeito-joule.html

Avalie a participação dos alunos no desenvolvimento do experimento, nas discussões e peça para os grupos montarem uma tabela com dez (10) equipamentos elétricos que utilizem o Efeito Joule a seu favor e que este efeito atrapalha seu funcionamento.