• Verificar, de modo simples, que é possível utilizar energia térmica para produzir movimento.
• Verificar que a eletricidade armazenada por atrito numa régua plástica pode fazer um led emitir luz.
• Verificar em que condições um led pode ser aceso com a energia elétrica armazenada em pilhas de frutas cítricas ou batatas.

50 minutos.

• correntes de convecção térmica;
• cargas elétricas e eletrização por atrito;
• construção de pilhas com batatas ou frutas cítricas.

As atividades propostas nesta aula estão relacionadas ao problema da obtenção de energia para a realização de pequenas tarefas. São apresentadas algumas possibilidades, como usar energia térmica para mover um catavento de papel, usar eletrização por atrito e energia de pilhas de limão para acender um led de baixa potência. Os alunos poderão observar que diversos fatores, que precisam ser bem compreendidos, influenciam os processos de obtenção e utilização de energia. Alguns desses processos estão presentes e constituem o princípio de funcionamento de sistemas ou equipamentos importantes de geração de energia, tanto para uso em pesquisa científica quanto para consumo das pessoas, em seu dia-a-dia. Desse ponto de vista, entender o funcionamento de uma pilha de limão pode ser o passo inicial para quem almeja realizar pesquisas que levem ao melhoramento da eficiência das pilhas e baterias comerciais. A energia térmica, como geradora de correntes de ar, é também responsável, mesmo que indiretamente, pela movimentação das pesadas pás dos geradores eólicos. A eletrização por atrito está presente em equipamentos de laboratórios de ensino de física ou de pesquisa em física de partículas. Outro aspecto relacionado ao tema da aula, e que deve ser abordado, é a importância das pesquisas para melhoramento dos dispositivos consumidores de energia elétrica, tendo em vista o crescimento da demanda e o impacto ambiental que decorre da exploração de diversas fontes energéticas. Nesse caso, a eficiência energética do led, destacada durante as atividades, o credencia a ser citado como exemplo de dispositivo cujo uso precisa ser estimulado e disseminado.

O professor dividirá a turma em grupos de, no máximo, 5 estudantes. As atividades serão realizadas num laboratório de Física. Além dos materiais indicados, serão utilizados recursos multimídia (computador conectado à internet e projetor multimídia e caixas de som), para a apresentação de pequenos vídeos e outros materiais que darão base à revisão e à discussão de alguns conceitos.

O professor pode iniciar as atividades destacando que o objetivo é a verificação da disponibilidade e da forma de uso de pequenas quantidades de energia em situações curiosas. Muitas vezes, essas situações envolvem objetos de uso cotidiano e podem mesmo passar despercebidas, sendo sua observação prejudicada pela curta duração do fenômeno ou ainda pela dificuldade de associarmos o fenômeno a suas causas reais.

Observação importante: o material indicado em cada atividade é 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 fácil obtenção.

 

Atividade 1. “Catavento” de papel

Nesta atividade, é montado e manuseado um molinete de papel (*), que demonstra, de forma simples e curiosa, a produção de movimento por meio da energia térmica, envolvendo correntes de convecção.

Os seguintes cuidados são necessários:

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

- não soprar ou respirar fortemente perto da montagem;

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

 

(*) molinete: dispositivo com princípio de funcionamento semelhante ao do catavento, usado para medir a velocidade do vento ou de um curso d’água

 

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 metálico (copo) com cubos de gelo;
• Uma vela e fósforos.

 

(*) Observações: O papel termosensível, gramatura: 56 g/m² (utilizado em máquinas de cartão de crédito e impressoras de cupons fiscais, por exemplo) proporciona um resultado muito bom. Porém, caso o professor opte pelo uso desse papel, sugerimos que não reaproveite aqueles já utilizados pelas máquinas, por causa do sigilo das informações neles impressas. Nesse caso, é importante utilizá-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 médias, 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 posição 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 mão do papel, posicionando-a de modo que a palma e os dedos fiquem em torno dele, bem próximos, mas sem tocar a montagem.

 

Figura 2 - mão circundando o molinete

Fonte: livro Física recreativa I, de Yacov Perelman

 

Deixando-se a mão parada nessa posição por algum tempo, é possível observar que, em condições apropriadas, o papel gira, no sentido da palma para os dedos. É importante destacar que o efeito é sutil e não muito fácil de obter, por depender bastante das condições ambientais. Mas uma vez iniciado, o movimento é bastante surpreendente, parecendo ocorrer por um passe de mágica. Aliás, em seu clássico livro Física recreativa, Yacov Perelman (*) comenta que, lá pelo final do século 19, muita gente acreditava numa origem mágica para esse fenômeno, atribuindo o giro misterioso a supostas propriedades sobrenaturais do corpo humano.

(*) A ciência divertida de Yakov Perelman — artigo. Disponível 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 situação. Ele pode pedir aos alunos que resfriem as pontas dos dedos com gelo e ainda que esfreguem uma palma da mão na outra, para que a diferença de temperatura entre essas partes da mão seja aumentada, o que pode potencializar o efeito que se quer observar. De modo complementar, o professor poderá apresentar ou indicar aos alunos um vídeo que ilustra esse experimento, divulgado pela Sociedade Brasileira de Física e disponível no link a seguir.

 

Convecção — vídeo. Disponível em: <http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/Multimidia/Videos/Fisica-Termica/Conveccao>. Acesso em: 05 abr. 2012.

 

Em diálogo com os alunos, o professor pode construir uma explicação física bastante simples para o fenômeno: o ar próximo à montagem é aquecido pela mão, tornando-se menos denso, e sobe, pressionando o papel. Como este possui partes inclinadas, surgem forças com componentes horizontais, que fazem a peça girar. O sentido da rotação, por sua vez, é explicado pelo fato de a palma da mão ser mais quente do que os dedos. Por isso, próximo à palma, forma-se uma corrente de ar ascendente mais intensa, capaz de pressionar mais do que aquela formada próxima aos dedos.

 

Tal como descrito, o experimento do molinete possui um caráter fenomenológico e histórico bastante curioso. Porém, o mesmo efeito de rotação 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 peça girará (ou será perturbado) mais intensamente do que na situação anterior. Uma explicação física análoga é válida aqui. O professor pode lançar mão dessa alternativa, seja em caráter substitutivo ou complementar.

 

Outra demonstração simples sobre correntes de convecção é sugerida no link dado a seguir.

 

Demonstração sobre correntes de convecção — texto descritivo. Disponível em: <http://educador.brasilescola.com/estrategias-ensino/demonstracao-sobre-as-correntes-conveccao.htm>. Acesso em: 18 abr. 2012.

 

A depender das características da turma, o professor pode indicar links para textos, vídeos ou simulações sobre convecção, ou mesmo sugerir aos alunos fazer sua própria busca de recursos na web.

 

Pode ser também interessante o professor comentar de passagem, com os alunos, que existe alguma analogia entre esse experimento e o tipo de interação que ocorre entre o vento e a vela de um barco. Nos dois tipos de interação, um aspecto essencial é a existência de uma inclinação da superfície a ser propelida em relação à direção na qual sopra o vento, num caso, ou sobe a corrente de ar aquecido, no outro. A respeito do princípio de propulsão de um barco a vela, o professor pode indicar a página eletrônica cujo link é dado a seguir.

 

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

 

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

 

1. Esse experimento é sugerido, como vimos, num livro de um divulgador científico russo. O autor não relata dificuldades para a observação desse experimento em seu país. Que característica(s) ambiental(ais) da Rússia pode(m) ser determinante(s) para o êxito em observar esse experimento naquele país?

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

 

2. Que mudança no ambiente do laboratório poderia contribuir para uma melhor observação do fenômeno?

Resposta esperada: Utilizar ambiente resfriado com ar condicionado.

 

O professor deve explicar que as correntes de convecção surgem nos meios fluidos por causa da diferença de densidade entre regiões do meio. Diferenças de temperatura, por exemplo, causam essas diferenças de densidade. Graças a essas correntes, que originam os ventos, o ser humano tem acesso, desde a antiguidade, a um tipo de energia muito importante – a energia eólica. Ao longo do tempo, ela tem sido usada para impulsionar embarcações a vela, movimentar moinhos e, mais recentemente, movimentar as turbinas de grandes estruturas geradoras de energia elétrica, conhecidas como aerogeradores (figura 3). Essa intensa movimentação do ar em nossa atmosfera está relacionada às alterações climáticas que surgem por ocasião das mudanças de estações do ano, alterando o regime de chuvas e as temperaturas, no decorrer do ano. Em nosso dia-a-dia, o fenômeno da convecção está relacionado, por exemplo, ao aquecimento de água nos compartimentos dos aquecedores solares e à refrigeração de alimentos no interior das geladeiras.

 

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

 

Atividade 2. Acender led com régua

 

Nesta atividade, uma régua atritada é usada como fonte de energia para acender um led. O seguinte cuidado é necessário:

- trabalhar em ambiente com baixa umidade relativa do ar, assim como em todo experimento de eletrostática. Isso pode ser conseguido executando a atividade em um dia mais seco ou em um ambiente desumidificado. (Uma opção simples e barata é trabalhar numa mesa ou bancada sobre a qual esteja acesa uma lâmpada incandescente (100 W, tipicamente), que aquecerá o ar e ajudará a reduzir um pouco a umidade).

 

Material

 

• Um led comum (baixa potência);
• uma régua plástica;
• um pedaço de tecido seco (pode ser seda ou ainda tecido usado na confecção de meia-calça).

 

Observação: 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” metálicas) do led. Depois, segurar em uma das pontas da régua e atritá-la vigorosamente com o pedaço de tecido. Em seguida, segurar um dos terminais do led (*) e passar o outro ao longo da superfície da régua, observando atentamente a ponta da cápsula plástica do dispositivo. Em condições adequadas, verifica-se um brilho leve e intermitente no led, o que indica a passagem, por ele, da eletricidade estática acumulada na superfície da régua.

Caso seja difícil observar o ligeiro brilho do led, fixar um pequeno tubo de papel em torno da cápsula, para concentrar melhor a luz que o dispositivo emite. Mas é importante levar em conta que, em condições de umidade mais alta (por exemplo, em dias chuvosos), é pouco provável que o experimento funcione de modo satisfatório.

 

(*) Atenção à polaridade correta para ligação do led: um corte (chanfro) em linha reta na circunferência da base da cápsula indica o terminal negativo (figura 4).

 

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

 

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

 

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

 

Resposta esperada: a perna em contato com a régua, pois a régua fica eletrizada negativamente ao ser atritada com seda e a mão da pessoa, supostamente neutra, estaria em potencial elétrico mais alto.

 

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

 

Resposta esperada:

Porque a perda das cargas elétricas da régua eletrizada para o ar é mais intensa quando o ar está com umidade elevada.

 

A eletrização por atrito, que é a base desta atividade, encontra-se presente em diversas situações cotidianas. Mesmo envolvendo pequenas quantidades de energia, esse fenômeno pode produzir efeitos significativos. Um exemplo bastante convincente são os pequenos e incômodos "choques" elétricos que às vezes experimentamos ao tocar uma peça metálica num dia de clima seco. Em determinadas situações, essas pequenas descargas elétricas podem implicar riscos que devem necessariamente ser prevenidos. No transporte de combustíveis líquidos, por exemplo, é imprescindível considerar que uma eventual combinação desse tipo de descarga com vapores do material inflamável transportado pode ativar combustões capazes de produzir explosões e incêndios de grandes proporções.

Para que seja possível uma utilização em condições mais  controladas, a eletricidade gerada por atrito precisa ser acumulada em equipamentos especiais, chamados máquinas eletrostáticas. É o caso da máquina de Wimshurst, que, historicamente, foi usada na pesquisa básica sobre eletricidade, e do gerador de Van de Graaff, que possui aplicações importantes nas pesquisas de física nuclear.

 

Atividade 3. Acender led com batata ou limão

 

Esta atividade toma por base uma aula sobre construção de pilhas também disponível no Portal do Professor, sugerindo algumas adaptações. Os procedimentos básicos para a construção das pilhas de batata ou limão são descritos nessa aula, cujo no link é indicado a seguir.

 

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.

 

Material

 

Sugestões de adaptação:

 

• As placas de cobre podem ser trocadas por moedas de 5 centavos de real, que são feitas de cobre.
• As placas de zinco podem ser trocadas por pregos de aço ou clipes de prender papel.
• Quatro pedaços pequenos de fio de cobre 22 com garras jacaré nas pontas.
• Um multímetro.
• Led de 5 mm.

 

 

Procedimento

 

Na figura 5, temos duas pilhas de limão, associadas em série, sendo usadas para acender um led. No entanto, os leds utilizados nesta aula, mesmo sendo de baixa potência, demandam um número maior de pilhas associadas em série. O professor pode propor que cada grupo monte 4 pilhas de batata ou de limão. Dividida entre os integrantes, essa é uma tarefa simples e rápida de executar. Em seguida, em cada grupo, os alunos testarão o acendimento do led (*) com uma das pilhas e depois, subsequentemente, com duas, três e quatro delas ligadas em série. Nessa sequência, é importante observar se o led se acende ou não e se o brilho varia de um caso para outro. É também possível tentar comparar os resultados obtidos com pilhas de um e de outro tipo (limão e batata). Pode ser também interessante determinar durante quanto tempo um led fica aceso com um conjunto de 4 pilhas de um e de outro tipo.

 

(*) Atenção à polaridade correta para ligação do led: um corte em linha reta na circunferência da base da cápsula indica o terminal negativo.

 

 

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

 

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

 

Tratando cada conjunto de quatro pilhas de vegetais ligadas em série como uma unidade de fornecimento de energia elétrica, responda:

 

1. Que tipo de associação é possível usar para fazer, de posse de algumas unidades de fornecimento de energia elétrica, para que o led fique aceso durante mais tempo?

 

Resposta esperada: ligar dois ou mais conjuntos em paralelo.

 

2. Que tipo de associação é possível usar para fazer, de posse de algumas unidades de fornecimento de energia elétrica, para que o led brilhe mais intensamente?

 

Resposta esperada: ligar dois ou mais conjuntos em série.

 

Conforme verificado nesta atividade, um led pode ser acionado com o fornecimento de uma tensão relativamente baixa. De fato, esse dispositivo é capaz de produzir luz com baixo consumo de energia elétrica, apresentando altos valores de eficiência energética. Essa característica é especialmente expressiva nos modelos mais recentes, que são capazes de fornecer potências luminosas significativamente maiores do que os leds existentes até há cerca de uma década.

O uso de leds em quantidades adequadas possibilita obter, com menor consumo de energia, uma iluminação equivalente à obtenível com tecnologias menos eficientes, tais como as lâmpadas incandescentes. Na atualidade, essa aplicação vem sendo explorada na produção de uma variedade de equipamentos, tais como lanternas, flashs compactos para câmeras fotográficas digitais, lâmpadas para semáforos luminosos de controle de tráfego, monitores de televisão e computador, projetores multimídia etc. No caso dos semáforos, por exemplo, a maior eficiência energética traduz-se numa valiosa economia dos recursos financeiros destinados à iluminação pública, proporcionando vantagens tanto para o cidadão contribuinte quanto para o poder público como um todo. O professor pode explorar, juntamente com os alunos, os princípios de funcionamento de alguns dos equipamentos mencionados, com um prognóstico de bons resultados em termos de compreensão de conceitos ligados à problemática do uso eficiente da energia elétrica.

- Para  ver outros experimentos que envolvem conceitos de eletricidade e magnetismo, consulte o material disponível 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 eletrização, utilizando leds e outros dispositivos, consulte o material disponível 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 discussões sobre máquinas eletrostáticas podem ser encontradas nos endereços 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)

 

Após a realização dessa aula sobre energia, o estudante deverá ser capaz de:

• identificar maneiras simples de produzir movimento de objetos pequenos e leves (atração elétrica por objeto eletrizado, uso de energia térmica para gerar correntes de convecção);
• utilizar pequenas quantidades de energia para acender um led (eletricidade obtida por eletrização, pilhas de limão ou batatas);
• saber as condições energéticas mínimas necessárias para acionar determinados dispositivos (associação de várias pilhas de limão ou batata para acender um led).
   

Sugestão: O professor pode propor aos alunos que produzam, coletivamente, um blog sobre “mágicas” de física, com a realização de uma blog-gincana (concurso entre equipes, visando à produção do blog mais criativo, bonito, informativo e consistente).