Projeto Inovador: Se liga na Física, mas sem ter um...

Projeto Inovador Eletricidade

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Universidade de São Paulo Faculdade de Educação

Junho/2004

Projeto Inovador:

Se liga na Física, mas sem ter um choque!

Disciplina: Metodologia de Ensino de Física (EDM 426) Prof. Maurício Pietrocolla - Período : Tarde

Alunos: Fábio A . Assumpção Matrícula: 3188597 Margarete Pinheiro de Almeida Matrícula: 3305861 Marta Emiko Kian Ishi Matrícula: 3305583 Tali ta Fachini Giraldo Matrícula: 3306031


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Índice

1. 1

2.

Apresentação .............................................................................................

Introdução .................................................................................................. 1

2.1. Justificativa do tema ........................................................................ 1

2.2. Justificativa da metodologia empregada ......................................... 2

3. Objetivo Geral ............................................................................................ 3

4. Público Alvo ............................................................................................... 3

5. Números de aulas ...................................................................................... 3

6. Conteúdo Físico ......................................................................................... 3

7. Temática de interesse ................................................................................ 3

9. Descrição das aulas ................................................................................... 4

9.1. Aula1 . ............................................................................................. 4

9.1.1. Tema da aula: “ A Eletricidade: suas origens e benefícios – Parte 1” . 4

9.1.2. Objetivo da aula ..................................................................... 4

9.1.3. Motivação ............................................................................. 4

9.1.4. Conteúdo Físico enfocado nesta aula ......................................... 4

9.1.5. Recursos instrucionais enfocado nesta aula ........................................ 4

9.1.6. Primeiro momento da aula .......................................................... 4

9.1.7. Segundo momento da aula ....................................................... 4

9.1.7.1 Interpretação do texto .............................................. 5

9.1.8. Terceiro momento da aula – Proposta de Atividade Extra-classe ....... 5

9.2. Aula 2 .............................................................................................. 6

9.2.1. Tema da aula: “ A Eletricidade: suas origens e benefícios – Parte 2” . 6

9.2.2. Textos anexos: História da Eletricidade (capítulos 1 e 2) .................... 6


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9.3. Aula 3 ............................................................................................ 10

9.3.1. Tema da aula: Funcionamento do chuveiro e Iluminação das ruas ..... 10

9.3.2. Objetivo da aula ...................................................................... 10

9.3.3. Motivação ............................................................................. 10


9.3.5. Recursos instrucionais a serem utilizados .................................... 10

9.3.6. Primeiro momento da aula ........................................................ 10



9.3.9. Anexos: Respostas do questionário utilizado nesta aula ..................... 11

9.4. Aula 4 .............................................................................................. 12

9.4.1. Tema da aula: Choque elétrico – Dicas de segurança ........................ 12

9.4.2. Objetivo da aula ................................................................................... 12

9.4.3. Motivação ............................................................................. 12


9.4.5. Recursos instrucionais a serem utilizados ........................................... 12



9.5. Aula 5 .............................................................................................. 14

9.5.1. Tema da aula: Modelo Mecânico de um Resistor ................................ 14

9.5.2. Objetivo da aula .. ................................................................... 14

9.5.3. Motivação ............................................................................. 14






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9.5.8. Terceiro momento da aula ........................................................ 15

9.5.9. Anexo: Texto – Conceito de resistência elétrica utilizando o Modelo Mecânico de Resistor

15

9.6. Aula 6 18

9.6.1. Tema da aula: Medindo a voltagem, corrente elétrica, resistência e potência dos aparelhos

18

9.6.2. Objetivo ................................................................................ 18

9.6.3. Motivação ............................................................................. 18

9.6.4. Conteúdo Físico enfocado nesta aula ............................................ 18




9.7. Aula 7 .............................................................................................. 20

9.7.1. Tema da aula: Montando circuitos elétricos .................................. 20

9.7.2. Objetivo ................................................................................ 20

9.7.3. Motivação ............................................................................. 20




9.7.7. Segundo momento da aula– Proposta de Atividade Extra-classe ....... 21

9.8. Aula 8 .............................................................................................. 22

9.8.1. Tema da aula: Associações de resistores .................................... 22

9.8.2. Objetivo ................................................................................ 22

9.8.3. Motivação ............................................................................. 22






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9.8.9 Anexo: Texto sobre o surgimento da rede elétrica e a eletricidade no Brasil

24

9.9. Aula 9 .............................................................................................. 28

9.9.1. Tema da aula: Cálculo de consumo de energia nas residências ....... 28

9.9.2. Objetivo ................................................................................ 28

9.9.3. Motivação ............................................................................. 28


9.9.5. Recursos instrucionais a serem utilizados ..................................... 28



9.9.8. Anexo: Estimativa de Consumo.................................................. 28

9.10. Aula 10 ............................................................................................ 29

9.10.1. Tema da aula: Aplicações dos conceitos abordados até agora ........... 29

9.10.2. Objetivo ................................................................................ 29

9.10.3. Motivação ............................................................................. 29




9.10.7. Segundo momento da aula– Proposta de Atividade Extra-classe ....... 29

9.10.8. Anexos: Respostas do questionário utilizado nesta aula ................. 30

10. Atividades sugeridas para Avaliação ................................................................ 32

11. Considerações Finais .................................................................................... 34

12. Bibliografia .................................................................................................. 36

13. Anexos: Material de Apoio ao Professor ............................................................ 37

13.1. A lei de Ohm .................................................................................. 38

13.2. Resistores em série e em paralelo ...................................................... 40


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13.3. Potência nos resistores e equipamentos elétricos ......................................... 42

13.4. Código de cores dos resistores .......................................................... 44

13.5. Fotosensor – LDR ........................................................................... 46

13.6 Supercondutores ............................................................................ 47

13.7 Instalações Elétricas (para domingueiros e profissionais) 51

13.8 CD com os arquivos: Projeto e Programa Virtualab Electricity....................... ----

13.9 Apostila do Programa Virtualab Electricity ..................................................... ----


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1. Apresentação

“O Novo Ensino Médio proposto pelo MEC sugere um currículo voltado para o desenvolvimento de competências, no qual a interdisciplinaridade e a contextualização permeiem a prática pedagógica. Educar para a vida, preparar para o mundo do trabalho, superar o "rótulo" de "antessala da Universidade": este é o papel assumido pelo Ensino Médio”.

TV Escola

Nosso Módulo de Ensino Inovador pretende auxiliar o professor a despertar

o interesse dos alunos pela Física. Para isso, utilizaremos como objeto motivador um conteúdo físico muito presente em nosso cotidiano: a Eletricidade e seus conceitos básicos.

Esses conceitos serão explicados de maneira diferenciada, fazendo uso

da História da Ciência, de programas de multimídia e problematizações de situações do cotidiano.

Com esse projeto esperamos que, numa visão microscópica, os alunos

compreendam conceitos básicos de eletricidade, conhecendo um pouco sobre sua origem e, numa visão macroscópica, que os alunos percebam que a Física não é só aplicação de fórmulas e levantamento de resultados, mas sim uma disciplina muito útil e interessante para entendermos o mundo à nossa volta.

2. Introdução 2.1. Justificativa do tema

Estudos realizados demonstram o fracasso generalizado do ensino habitual

de Física em nossas escolas. Para os estudiosos, a falta de interesse ou a dificuldade dos alunos em aprender física é decorrente de um ensino tecnicista baseado em resolução de problemas pouco relacionados com o cotidiano dos alunos e portanto, sem nenhum significado para eles.

Outro fator prejudicial ao ensino desta disciplina no modelo usual é que a

maioria dos docentes e dos livros didáticos não levam em consideração as idéias prévias dos alunos sobre os fenômenos físicos; idéias estas que eles construíram no decorrer de suas vidas, as quais podem ser cientificamente infundadas, mas que, para eles, explicam tais fenômenos perfeitamente. Isto acaba por causar confusão e dificultar o aprendizado dos conceitos corretos.

Além disso a maioria dos livros didáticos dos professores não fazem uso da

História da Física para explicá-la; não comentando, portanto, os motivos que levaram os físicos a pesquisar sobre determinado assunto e nem sobre as dificuldades que enfrentaram.

Estes fatores fazem com que, na visão dos alunos, a física pareça estar

muito distante de suas realidades, restrita aos laboratórios, onde trabalham seres


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geniais, dotados de um saber divino. E sendo assim, ao menos que pretenda ser um cientista, não há razão para querer aprender física.

Então é preciso que o ensino da física se tornem mais interessante e

compreensível aos alunos. Para que isso aconteça, a didática empregada nos livros e pelos professores precisa ser replanejada, inovada. No entanto, por conseqüência da formação de muitos professores, esta inovação didática pode tornar-se muito difícil.

Pensando em tudo isso, projetamos um módulo de ensino inovador para o

ensino médio com o objetivo de auxiliar o professor a trabalhar conceitos físicos relacionados com a eletricidade. Decidimos por este assunto, porque os fenômenos elétricos estão muito presentes no cotidiano dos alunos, uma vez que a eletricidade é indispensável à vida humana.

Nosso projeto é inovador porque, para trabalharmos conceitos tais como:

corrente elétrica, resistência elétrica, tensão, etc., utilizamos um pouco da história da eletricidade e biografia dos físicos envolvidos, problematizamos situações do dia-a-dia fazendo uso das concepções alternativas dos alunos, propusemos exercícios práticos que envolvem a instalação elétrica de uma residência.

Com este projeto, pretendemos que os alunos compreendam melhor o

mundo em que vivem e descubram o fascinante mundo da Física.

2.2. Justificativa da metodologia empregada A história da eletricidade e a biografia dos físicos relatam os motivos que

fizeram-lhes interessar pelo assunto, as dificuldades pelas quais passaram e o tempo que dedicaram para progressos das pesquisas. Esta metodologia empregada é importante para desfazer a idéia preconceituada dos alunos de que os físicos eram gênios, e faziam novas descobertas da noite para o dia sem a ajuda de ninguém, e , principalmente, para mostrar a eles que a física não esta pronta que ela foi construída e continua em construção e eles podem fazer parte desta história.

A utilização das concepções alternativas dos alunos nas problematizações

que envolvem situações do dia-a-dia, é importante como ferramentas de introdução de teorias. Se o professor, antes de introduzir uma nova teoria, utilizar-se dos conceitos prévios dos alunos, mostrando lhes as situações que estes conceitos não conseguem explicar, fará com que os novos conceitos sejam mais facilmente aceitos por eles, além de fazer com que desenvolvam capacidade de analisar suas idéias, no decorrer das aulas, conforme adquiram mais conhecimento.

E os exercícios práticos envolvendo instalação elétrica na residência, além

de aproximar a física do cotidiano dos alunos, proporciona lhes conhecer sobre o funcionamento da rede elétrica de sua casa, sobre como medir o consumo e até como economizar energia elétrica.


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3. Objetivo Geral Neste projeto propomos aos professores de física um modo diferente na

abordagem dos conceitos de Eletricidade, evitando a prática de aulas tradicionais em que o professor impõe os conteúdos a serem assimilados pelos alunos com apenas o intuito de ser bem avaliado nas provas escolares e nos vestibulares.

Nele reunimos atividades diversificadas em que o aluno é convidado a

participar das aulas, valorizando suas opiniões e conclusões, tornando-o atuante na construção do conhecimento.

4. Público Alvo Este projeto é destinado a professores de Física do ensino médio, mais

especificamente para ser aplicado aos alunos do 3º ano do ensino médio que já tenham estudado Eletrostática. 5. Números de aulas: 10 aulas 6. Conteúdo físico: História da Eletricidade (origem dos conceitos, surgimento da rede elétrica, etc.), conceitos de corrente elétrica, resistência, voltagem, potência, circuito elétrico, associação de resistores. 7. Temática de interesse: aplicação dos conteúdos acima através da análise da instalação elétrica em uma residência e o funcionamento da Lanterna de mão, bem como os perigos decorrente de um choque elétrico. Abordamos também, neste projeto, o cálculo de consumo de energia elétrica nas residências.


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9.Descrição das aulas 9.1. Aula 1 9. 1.1.Tema da aula: “ A Eletricidade: suas origens e benefícios” – Parte 1 9.1.2. Objetivo da aula: Fazer com que os alunos: - pensem sobre os benefícios que a eletricidade proporcionou ao mundo e as

suas vidas, bem como os prejuízos que ela trouxe; - imaginem o quanto seria difícil sobreviver sem a energia elétrica; e, - conheçam um pouco sobre a história da eletricidade, compreendendo assim

que por trás de cada descoberta física, existe o trabalho de vários pesquisadores, os quais eram pessoas comuns que enfrentaram diversas dificuldades e despenderam de muito tempo para atingirem seus objetivos; desmistificando, portanto, a idéia que a Física é para os gênios.

9.1.3. Motivação: O texto conta como a história de uma parte da Física (Eletricidade) foi construída e o que motivou as pesquisas nessa área. Através da história e da biografia dos cientistas, os alunos poderão perceber que possuem o mesmo potencial que eles e que também podem fazer parte dessa história. 9.1.4. Conteúdo físico enfocado nesta aula: conceitos básicos de eletricidade e sua história. 9.1.5. Recursos instrucionais a serem utilizados: debate, texto e pesquisas biográficas. 9.1.6. Primeiro momento da aula (10 minutos): O professor iniciará a aula com um debate, utilizando perguntas como as abaixo relacionadas, visando trabalhar as concepções alternativas dos alunos. 1. Quais os benefícios que a Eletricidade proporcionou ao mundo? E quais os

prejuízos? 2. Quais os fenômenos elétricos que podemos observar na Natureza? 3. Como você acha que os cientistas descobriram a Eletricidade? 4. No seu dia-a-dia, onde você utiliza a Eletricidade? 5. Como seria sua vida sem a energia elétrica? 9.1.7. Segundo momento da aula (30 minutos): Nosso projeto pretende trabalhar o ensino da Eletricidade e seus componentes, fazendo uso da instalação elétrica de uma residência. Então, no segundo momento da aula, sugerimos que o professor forneça aos alunos o texto “A História da Eletricidade”, o qual deverá ser interpretado. Esse texto fornece


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apenas a parte da história da eletricidade necessária para entendermos os elementos elétricos presentes na instalação elétrica residencial. Com essa atividade, o professor estará fazendo uso da interdisciplinaridade (Física, História e Língua Portuguesa) e os alunos entenderão os motivos que levaram os cientistas a pesquisarem sobre a Eletricidade, em que contexto histórico estavam inseridos. 9. 1.7.1 Interpretação do texto: 1. Em vários momentos, o texto relata os motivos que levaram os cientistas a

pesquisarem sobre a eletricidade. Relacione-os. 2. Você já ouviu falar sobre algum desses cientistas? 3. Os cientistas demonstraram relação de dependência entre eles; isto é, para

um cientista descobrir alguma coisa, ele precisou se basear em estudos de um outro cientista?

4. Você acha que essa relação de dependência entre os cientistas sempre ocorre?

5. Quais seriam os motivos que o faz querer estudar Eletricidade? 9.1.8.Terceiro momento da aula – Proposta de atividade extra-classe (5 minutos): Supondo que a sala tenha 45 alunos, o professor solicitará aos alunos que se dividam em grupos de 5 pessoas (formando no total 9 grupos), e cada grupo se encarregará de pesquisar a biografia de um ou dois dos físicos relacionados no texto: Franklin, Coulomb, Cavendish, Volta, Galvani, Àmpere, Oersted, Watt, Ohm, Faraday e Lenz.


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9. 2. Aula 2 9.2.1. Tema da aula: “ A Eletricidade: suas origens e benefícios” – Parte 2 Nesta aula, os alunos deverão fazer uma apresentação sobre o que descobriram a respeito dos cientistas. Cada grupo terá 5 minutos para se apresentar. Nessa atividade, tendo como objetivo acabar com a concepção que os alunos possuem de que a Física é para os gênios, o professor deverá utilizar-se das informações trazidas sobre a vida dos cientistas para frisar que eles eram pessoas comuns, que possuíam problemas, algumas de origem humilde e que trabalhavam; assim como qualquer pessoa e que suas descobertas foram frutos de trabalhos conjuntos. Assim, os alunos perceberão que são capazes de compreender os conceitos físicos e até de aperfeiçoá-los. Essa atividade também permite aos alunos desenvolverem a capacidade de falar em público.

9.2. 2. Anexo: texto - História da Eletricidade


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HISTÓRIA DA ELETRICIDADE

Capítulo 1: 1. O que levou os cientistas a estudar a Eletricidade.

Muito antes da Humanidade adquirir conhecimento sobre as características da Eletricidade, os fenômenos elétricos já eram observados na Natureza. Suas manifestações, através do raio ou relâmpago, eram muito temidas e atribuídas aos deuses. As referências bíblicas ao trovão e ao raio, por exemplo, os revelam como símbolos do poder e da ira de Deus. Outro fato que também chamava a atenção, desde as épocas mais remotas de que temos conhecimento, era uma propriedade que uma resina chamada âmbar tinha de atrair pequenos objetos quando era atritada com uma pele de animal. (Essa experiência pode ser reproduzida, esfregando um pente plástico no cabelo ou uma caneta de plástico na calça e aproximando-os de pequenos pedaços de papel.). E foi buscando explicações do porquê de acontecimentos como esses que alguns cientistas, como por exemplo Benjamin Franklin, começaram a pesquisar sobre a eletricidade e a encontrar utilidade para ela. 2. Origens:

Apesar dos fenômenos elétricos já serem observados há muitos anos, considera-se que a história da eletricidade somente teve início com Benjamin Franklin quando, em 1752, ele conseguiu provar ser capaz de “domar o raio”.

Enquanto cientistas de todo o mundo discutiam, em acirradas polêmicas,

se os raios seriam ou não um fenômeno elétrico, Franklin saíra em meio a uma tempestade e conseguira atrair um raio à chave presa a uma pipa que empinava.

Muitos já suspeitavam de que o raio fosse, efetivamente, um fenômeno elétrico; mas Franklin captando cargas presentes em nuvens baixas, o demonstrara experimentalmente.

Com seu espírito prático, Franklin concluiu que deveria ser possível evitar

os danos e prejuízos causados pelos raios por meio de um aparelho, que experimentou pela primeira vez em 1753. Com a invenção do pára-raios, a eletricidade encontrou a sua primeira utilidade.

Não se deve a Franklin a descoberta da Eletricidade (cuja existência já se

sabia pelo menos desde o início do século XVIII). O que realmente impressionou o mundo, foi a sua compreensão da semelhança entre a faísca elétrica produzida no laboratório e a faísca que ele “apanhou” no céu e que provou também ser elétrica.

Benjamin Franklin definiu o que seria carga elétrica - ou quantidade de

eletricidade fornecida - mas não foi capaz de medi-la e esse tornou-se o próximo desafio para os físicos.


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Nessa época, o escocês James Watt, aprimorou o motor à vapor, o qual ficou muito mais potente e passou a ser utilizado em diversas atividades: bombear água, operar elevadores subterrâneos nas minas de carvão, girar as rodas nos moinhos, etc. Como o novo motor passou a fazer o trabalho dos cavalos, para dar ao comprador, acostumado aos métodos tradicionais, uma idéia de sua capacidade, a potência era expressa pelo número de cavalos que o motor podia substituir. Nasceu desse modo a expressão "horse power", que significa potência de cavalos.

Depois das contribuições de Franklin, os progressos nos domínios da

eletricidade mantiveram-se muito lentos durante algumas dezenas de anos. Dentre as razões apontadas para essa lentidão, está a dificuldade de realizar experiências elétricas, devido a falta de equipamentos e técnicas apropriadas, e, principalmente, ao conservadorismo de alguns cientistas que não queriam aceitar opiniões novas e nem que alguns conceitos que acreditavam ser verdadeiros podiam ser falsos.

Em 1819, o cientista dinamarquês Hans Oersted, descobriu a relação

existente entre o magnetismo e as cargas elétricas. Ele observou que ao aproximar as cargas elétricas provenientes de um condutor de uma agulha imantada (bússola), ela se movia. Pouco tempo depois, André Marie Àmpere, conseguiu quantificar essa relação, ou seja, medir quanto de força magnética havia entre os condutores percorridos por cargas elétricas.

Nesse mesmo período, Alessandro Volta inventou a bateria ou

pilha elétrica. Essa descoberta é considerada uma das mais importantes da ciência , pois serviu de base para uma ampla diversidade de desenvolvimentos posteriores da tecnologia da eletricidade. Volta se baseou nos estudos realizados por Luigi Galvani, que observou que quando inseria um fio de cobre no nervo da coxa de uma rã (morta), que estava em contato com um suporte de ferro, havia contração dos músculos da perna. Volta, posteriormente, percebeu que o contato dos dois metais (ferro e cobre) juntamente com um condutor úmido (coxa da rã) gerava carga elétrica. Ele fez essa experiência com outros metais e condutores úmidos, obtendo melhores resultados, até construir a pilha de zinco e prata, utilizando tecido úmido como condutor. Essa pilha ficou conhecida como pilha de Volta.

E, somente no final do século XVIII, tornou-se possível medir a

quantidade de carga elétrica que passa por um condutor. Quem iniciou o progresso nesse estudo foi o cientista Cavendish. Mas foi Charles Augustin Coulomb que, baseado nos estudos de Cavendish e de outros físicos, conseguiu realizar esse feito. A partir daí definiu-se o que seria a corrente elétrica – fluxo de cargas elétricas que atravessam um condutor – e a intensidade de corrente elétrica – a quantidade de carga elétrica que passa em um fio condutor durante 1 segundo.

Outro físico cientista que muito colaborou para o desenvolvimento

da Eletricidade foi o alemão Georg Simon Ohm. Ele trabalhava como professor secundário de Matemática no Colégio dos Jesuítas, em Colônia,


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mas desejava lecionar na universidade. Para tanto, foi-lhe exigido, como prova de admissão, que realizasse um trabalho de pesquisa inédito. Optou por fazer experiências com a eletricidade, e para isso construiu seu próprio equipamento, incluindo os fios.

Experimentando diferentes espessuras e comprimentos de fios,

acabou descobrindo relações matemáticas extremamente simples envolvendo essas dimensões e as grandezas elétricas. Inicialmente, verificou que a intensidade da corrente era diretamente proporcional à área da seção do fio e inversamente proporcional a seu comprimento. Com isso, Ohm pôde definir um novo conceito: o de resistência elétrica – resistência à passagem de corrente elétrica que os condutores sempre oferecem.

Na época, seu trabalho não foi considerado importante e ele não

conseguiu a vaga de professor universitário. Esses cientistas foram os pioneiros nos estudos e desenvolvimento

da Eletricidade e foi com base nesses estudos que novas descobertas foram feitas por outros cientistas, no decorrer dos tempos, até chegarmos no século XXI, onde a Eletricidade tornou-se algo indispensável à sobrevivência dos seres humanos.

Resumo do Texto extraído do Livro: “Instalação Elétrica: investigando e aprendendo” – Série Universo da Ciência de Aurélio Gonçalvez Filho e Elisabeth Barolli


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9. 3. Aula 3 9.3.1. Tema da aula: Funcionamento do chuveiro e iluminação das ruas 9.3.2. Objetivo: Análise das concepções alternativas dos alunos referente as questões que envolvem o seu cotidiano através de aparelhos (chuveiro) constantes em suas casas, a fim de valorizar o conhecimento científico que estão por trás de cada situação abordada, com o intuito de tornar o aluno sujeito ativo na construção e aquisição dos conceitos físicos. 9.3.3. Motivação: Despertar no aluno a necessidade de adquirir conhecimento para responder as questões, tornando-o crítico, autônomo e protagonista na sala de aula. 9.3.4. Conteúdo físico enfocado n esta aula: a corrente elétrica, resistência, resistor e voltagem. Estes conteúdos serão trabalhados em aulas posteriores com mais detalhes. 9.3.5. Recursos instrucionais a serem utili zados: aulas dialogadas. 9.3.6. Primeiro momento da aula (20 minutos): Os alunos devem formar grupos de no máximo 4 integrantes para tentarem responder as questões abaixo:

1) Por que quando anoitece as luzes da rua se acendem e quando amanhece elas se apagam? 2) Por que o chuveiro é ligado no 220volts e o resto da casa no 110volts? 3) O que ocorre quando mudamos o chuveiro de inverno para verão?

9.3. 7. Segundo momento da aula (20 minutos):

O professor deve anotar todas as concepções alternativas levantadas pelos alunos, bem como, os conhecimentos adquiridos através das pesquisas de história da eletricidade abordadas na aula 2. Neste momento, o professor poderá apresentar os conceitos de corrente elétrica, resistência, resistor e voltagem através das falas dos próprios alunos, buscando responder as questões propostas. 9.3. 8. Terceiro momento da aula: proposta de atividade extra-classe (5 minutos): Os alunos deverão trazer para próxima aula os seguintes dados: 1) Qual o consumo de energia de uma geladeira? E de uma televisão?


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2) Qual o consumo mensal de energia de sua residência? 3) Dê sugestões para redução no consumo de energia nas residências. 4) Qual a voltagem de uma bateria de carro? E de uma pilha? 5) Se ligarmos uma lâmpada de 220 volts em uma tomada de 110 volts, o que

acontece? E se fizermos ao contrário, uma lâmpada de 110 volts em uma tomada de 220 volts? Justifique sua resposta.

9.3.9 Anexos: respostas dos questionários efetuado na aula 3: 1) Por que quando anoitece as luzes da rua se acendem e quando amanhece

elas se apagam? Resposta: no poste a um LDR (resistência dependente de luz), quando incide a luz no circuito ele funciona como um interruptor e se abre(resistência muito alta, infinita), não fornecendo energia elétrica a lâmpada da rua e ela se apaga. Ao anoitecer ocorre o oposto, o LDR funciona como um interruptor e se fecha (resistência zero) fornecendo energia elétrica a lâmpada e ela se acende. 2) Por que o chuveiro é ligado no 220volts e o resto da casa no 110volts? Resposta: Ao ligarmos o chuveiro no 220volts, ele necessita de uma corrente menor para dissipar a mesma potência de um chuveiro no 110volts com uma corrente bem maior. Desse modo, como o preço do fio é cobrado pela amperagem (corrente que o fio suporta sem queimar, a medida que a amperagem aumenta, a sua área aumenta para suportar a corrente maior) e como quanto maior sua amperagem, mais caro é o fio; usa-se um fio com menor amperagem e mais barato, o que diminuí o custo do aparelho. 3) O que ocorre quando mudamos o chuveiro de inverno para verão? Resposta: No modo verão, o chuveiro possui uma resistência R, e como sabemos a potência é calculada por P = V² /R, quando mudamos a chave para a posição de inverno, sua resistência cai para R/2(na maioria dos chuveiros) é como se fosse colocada uma outra resistência em paralelo, o que ocasiona P=V²/(R/2), dobrando a potência dissipada pelo chuveiro, ou seja, a água que passa pelo chuveiro irá esquentar mais.


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9. 4. Aula 4 9.4.1. Tema da aula: dicas de segurança para evitar choque elétrico 9.4.2. Objetivo: conscientizar os alunos dos cuidados a serem tomados para evitar o choque elétrico, tornando-os indivíduos atuantes no exercício da cidadania, propagadores deste conhecimento para sua comunidade inclusive seus familiares. 9.4.3. Motivação: despertar no aluno a vontade de ser um instrumento propagador de conhecimento para o bem estar coletivo. 9.4.4. Conteúdo físico enfocado n esta aula: conceito de choque elétrico e fio terra. 9.4.5. Recursos instrucionais a serem utili zados: Palestra: se possível chame um representante do Corpo de Bombeiros para nos alertar dos casos comuns de choque elétrico, informando nos de ocorrências vivenciadas pelos bombeiros. 9.4.6. Primeiro momento da aula (20 minutos):

Apresentação sobre informações e cuidados para evitar o choque elétrico efetuada por um integrante do Corpo de Bombeiros

Choque Elétrico

Muitas pessoas não sabem, mas um choque elétrico pode matar. Aprenda a evitá-lo. 1) Nunca mexa com a parte interna das tomadas, seja com os dedos ou com objetos ( tesouras, agulhas, facas, etc...)


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2) Nunca deixe as crianças brincarem com as tomadas. Vede todas as tomadas com protetores especiais ou um pedaço de esparadrapo largo. 3) Ao trocar lâmpadas, toque somente na extremidade do suporte ( de porcelana ou plástico ) e no vidro da lâmpada elétrica. Se possível desligue a chave geral antes de fazer a troca. 4) Nunca toque em aparelhos elétricos quando estiver com as mãos ou o corpo úmidos. 5) Não mude a chave de temperatura ( inverno – verão ) do chuveiro elétrico com o corpo molhado e o chuveiro ligado. 6) Mantenha os aparelhos elétricos em bom estado. Não hesite em mandar consertá-los sempre que apresentarem problemas ou causarem pequenos choques. 7) Verifique sempre os fios elétricos que ficam à vista. Com o tempo, sua capa protetora se desgasta. Nunca deixe um fio elétrico descoberto. 8) Instale o fio terra em chuveiros e torneiras elétricas. 9) Ao manusear objetos metálicos, tenha cuidado para que não esbarre em nenhum cabo elétrico aéreo. 10) Nunca pise em fios caídos no chão. Principalmente se a queda foi conseqüência de uma tempestade. 11) Não empine pipas em locais onde houver cabos elétricos aéreos.

Desenvolvimento: Divisão de Sistemas do Corpo de Bombeiros

9.4.7. Segundo momento da aula (20 minutos):

Momento em que os alunos poderão fazer perguntas e discussão sobre o assunto e o professor poderá abordar os conceitos de choque-elétrico e fio terra.


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9. 5. Aula 5 9.5.1. Tema da aula: Modelo mecânico de um Resistor 9.5.2. Objetivo: introduzir o conceito de resistência elétrica, resistor, condutor, isolante, corrente elétrica e diferença de potencial elétrico. 9.5.3. Motivação: de maneira lúdica, bem diferente de uma aula expositiva em que os conceitos são abstratos, os alunos poderão levantar as possibilidades observando o modelo mecânico e tomar suas próprias conclusões, compreendendo melhor os conceitos estudados nesta aula. Se o professor dispor de mais aulas para este assunto, poderá propor aos alunos a construção do modelo mecânico. 9.5.4. Conteúdo físico enfocado nesta aula: conceitos de isolante, resistência, resistor, corrente elétrica 9.5.5. Recursos instrucionais a serem utilizados: um modelo mecânico para cada grupo de no máximo cinco integrantes. 9.5.6. Primeiro momento da aula (20 minutos): Os alunos deverão formar grupos de no máximo 5 integrantes. A cada grupo o professor irá fornecer um modelo mecânico. Neste momento, os alunos irão observar diversas possibilidades e devem ser desafiados a descobrir o que representa cada componente do Modelo Mecânico. Os pregos representam ...... Os bolinhas representam .... Se limitarmos o corredor com uma régua, o que acontece? Se a rampa tiver sem pregos, o que acontece? Se a rampa tiver bastante pregos, o que acontece?

9.5.7. Segundo momento da aula (20 minutos): O professor deve ouvir o que os alunos concluíram do modelo mecânico. E dialogando com os alunos, o professor deve evidenciar os conceitos envolvidos nesta aula. 9.5.8. Terceiro momento da aula: solicitação de alguns aparelhos aos alunos para próxima aula (5 minutos). Os alunos deverão trazer para a próxima aula os seguintes aparelhos: fusível. chuveiro velho, radinho de pilha, pilha velha, disjuntor, interruptor, alto-falante, cabos, fios, telefone quebrado, etc. Os alunos deverão, ainda, anotar as características elétricas dos equipamentos que possuem em casa, tipo, aparelho de som, televisão, geladeira, micro-ondas, lâmpadas, rádio de pilha, rádio relógio, liqüidificador, etc.


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9.5.9. anexo: Conceito de resistência elétrica – Modelo Mecânico de Resistor

Modelo Mecânico do Resistor (Conceito de Resistência Elétrica)

Objetivo: essa montagem, com madeira, pregos e esferas de aço, propicia um excelente modelo mecânico para estudo do comportamento do resistor no circuito elétrico. a foto mostra o aspecto final desse projeto.

Montagem


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Procedimento: coloque 20 a 30 bolinhas no patamar (plataforma) superior e as abandone, elas descem a rampa de obstáculos e chegam ao patamar inferior, praticamente sem velocidade alguma. elas perdem energia potencial gravitacional e não ganham energia cinética! A energia potencial foi consumida nos choques com os pregos — há aquecimento dos pregos e das bolinhas, além da produção de som. Os pregos simulam as partículas constituintes do próprio corpo do resistor, as esferinhas simulam os portadores de carga que constituem a corrente elétrica, a diferença de potencial gravitacional entre patamares simula a diferença de potencial elétrico entre terminais do resistor. Os choques entre bolinhas e pregos simulam as interações de campo entre portadores de carga elétrica e partículas do material condutor (átomos). Uma falha que se aponta na simulação é o som — entre os átomos do resistor reina vácuo - não há propagação sonora. Bolinhas batendo em pregos produz sons. O efeito joule pode ser posto em evidência através do aquecimento dos pregos e das bolinhas, devido aos choques.

“Todo condutor atravessado por corrente elétrica experimenta um aquecimento.” Conceito de resistência elétrica A propriedade básica dos resistores nos circuitos elétricos é sua resistência elétrica que, nada mais é que o "número de choques entre portadores e partículas do material por unidade de volume", para um dado estado de agitação térmica dessas partículas do material. Evite conceituar resistência de um condutor através da palavra "oposição" à passagem da corrente elétrica, uma vez que “oposição” não explica e nem justifica a realidade dos acontecimentos. Como a contagem de tais choques, no mundo microscópico, é deveras complicada (se não impossível!), devemos obter esse resultado, no mundo macroscópico, por outras vias. Aqui entra o mérito de george simon ohm; ele verificou que, mantendo-se a temperatura (t) do material constante (para garantir a invariabilidade do estado de agitação térmica das partículas do material), a resistência elétrica (r) imposta pelo material em questão podia ser obtida pelo quociente entre a d.d.p. aplicada (u) entre seus terminais (equivalente ao desnível entre os dois patamares no experimento acima) e a intensidade de corrente (i) que circula pelo material. ou,

R = U / I = constante (sob T constante)

Desse modo, R é uma característica do condutor,


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R dependente: (a) do material de que é feito (pois isso afeta o número de partículas do

material contidas na unidade de volume), (b) de sua geometria (pois afeta o volume total de percurso) o que, para fios comuns, se engloba sob a forma: R = ρ. L/A

Onde ρ é a “resistividade do material”, L é o comprimento do fio e A a área de sua secção transversal,

(c) e da sua temperatura (pois afeta o estado de vibração de suas partículas)

porém,

(1) independente da particular d.d.p. aplicada (2) e independente da intensidade de corrente circulante.

como você faria para simular, em nosso modelo mecânico, o efeito da área da secção reta na resistência de um condutor? eis um visual comparativo:

Observe, a “mesma quantidade de bolinhas” (mesma intensidade de corrente) deve passar por um “corredor mais estreito”. para simular isso, basta colocar uma régua plástica longa (60 cm) limitando o 'corredor' por onde a totalidade das bolinhas devem passar. como exemplo, divida com a régua, a largura do corredor pela metade e faça as bolinhas passarem por uma dessas metades.

Um condutor ideal não apresenta resistência a passagem da corrente elétrica, seria como a rampa sem pregos nenhum, enquanto o isolante oferece total resistência a passagem da corrente, seria como a rampa cheia de pregos, não deixando nenhuma bolinha passar.


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9. 6. Aula 6 9.6.1. Tema da aula: Medindo a voltagem, corrente elétrica, resistência e potência dos aparelhos. 9.6.2. Objetivo: a corrente elétrica, resistência, resistor e voltagem. 9.6.3. Motivação: 9.6.4. Conteúdo físico enfocado nesta aula: 9.6.5. Recursos instrucionais a serem utili zados: • Multímetros (pelo menos um para cada grupo de cinco integrantes); • Aparelhos trazidos pelos alunos como: fusível. chuveiro velho, radinho de

pilha, pilha velha, disjuntor, interruptor, alto-falante, cabos, fios, telefone quebrado, etc.

9.6.6. Primeiro momento da aula (20 minutos):

Os alunos devem medir a resistência elétrica, voltagem, potência e corrente dos aparelhos trazidos por eles através do multímetro para verificar as diferenças entre eles e comece a relacionar voltagem, potência, resistência, etc. O professor deve providenciar alguns multímetros e alguns “circuitinhos” também, para que todos participem da aula.


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Instruções: para efetuar a medida de resistência coloque o multímetro na posição

ão houver leitura, altere a escala para x10 e assim

sucessivamente. Quando houver a leitura, verifique a escala e multiplique pelo valor lido. Exemplo: leitura 20.15 e a escala for de x100, o valor da resistência é 2015 for a x10 , o valor da resistência é 201,5 O procedimento é o mesmo para voltagem e corrente.

9.6.7. Segundo momento da aula (20 minutos): Analisar com a classe os dados levantados pelos grupos, os valores de voltagem, resistência e potência de cada circuito, material , equipamento trazidos pelos alunos. O professor deve mostrar que a eletricidade, resistência, potência elétrica, quer queira quer não, está em todos os equipamentos elétricos ou não, pois de algum modo eles oferecem resistência a passagem de corrente elétrica.


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9. 7. Aula 7 9.7.1. Tema da aula: Montando circuitos elétricos 9.7.2. Objetivo: introduzir o conceito da lei de ohm e tipos de circuitos elétricos 9.7.3. Motivação: Utilizando o computador através do software Virtualab Eletricity, o aluno poderá simular diversos circuitos, compreendendo melhor os conceitos. 9.7.4. Conteúdo físico enfocado nesta aula: Tipos de Circuitos elétricos e lei de ohm. 9.7.5. Recursos instrucionais a serem utilizados: Sugerimos que o professor utilize o software virtualab eletricity (anexo um CD contendo este programa) que é um programa de montagem de circuitos elétricos, que facilitará a aprendizagem , e assim, depois de montarem o circuito no programa, poderemos usar lâmpadas, fusíveis, interruptores e tensão de verdade. 9.7.6. Primeiro momento da aula (40 minutos):

1) Disponibilize o software e sua utilização para os alunos (no anexo a uma apostila sobre o software em inglês). Pergunte aos alunos: • O que é necessário para acenderem uma lâmpada? 3) Peça para que eles montem o circuito no programa eletricity. 4) Peça para que eles rodem o programa e vejam o que acontece, se estiverem corretos, peça para que coloquem o amperímetro e o voltímetro no circuito e observem o que ocorre quando alteramos a voltagem para mais e para menos, mantendo a mesma lâmpada e anotem a diferença (corrente elétrica) que eles observarem. Se não estiver correto, auxiliá-los para que cheguem a resposta correta. 5) Peça a eles a construção do gráfico entre a voltagem e a corrente e anotem o que eles observaram que variou (corrente). Mostre que a função entre a voltagem e a corrente de um circuito ôhmico é linear e que a tangente da função é o valor da resistência do circuito. 6) Através dessas simulações, introduza o conceito de lei de ohm, e deixe que eles brinquem um pouco com o software, tirando outras medidas, colocando outras lâmpadas, tirando ou acrescentando novas chaves, fusíveis, etc. Nos anexos, há alguns tipos de ligações, para que sirvam de exemplos ao professor.


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9.7.7. Segundo momento da aula: Proposta de atividade extra-classe (5 minutos): Veja se o aluno entendeu mesmo? Peça que eles resolvam em casa as seguintes questões: 1) Uma d.d.p.(tensão) aplicada entre os extremos de um fio é mantida constante.

Se a resistência desse fio, devido a uma causa qualquer, diminuir, a intensidade de corrente através dele Ü ............... (aumenta / diminui / não se altera).

2) Se a d.d.p.(tensão) aplicada sobre um fio é aumentada, sem alterar sua resistência elétrica então, a intensidade de corrente através dele deve Ü.................... (aumentar / diminuir / permanecer a mesma). 2) Calcule a resistência elétrica do filamento de uma pequena lâmpada sabendo-

se que, sob tensão de 4,5 V (três pilhas conectadas em série), a intensidade de corrente através dele é de 150 mA.

3) No circuito acima, que interruptor(es) deve(m) ser fechado(s) para: a) acender só a lâmpada L1? b) acender só a lâmpada L2? c) acender as lâmpadas L1 e L2? 4) O que acontecerá com as lâmpadas L1 e L2, se os interruptores S1, S2 e S3

forem fechados todos ao mesmo tempo? Por que essa ação deve ser evitada? obs: para verificação, podemos usar novamente o software virtualab para demonstrarmos aos alunos o exercício anterior


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9. 8. Aula 8 9.8.1. Tema da aula: Associação de resistores 9.8.2. Objetivo: Através da montagem das associações de resistores, os alunos deverão identificar as diferenças entre as associações em paralelo e em série. 9.8.3. Motivação: aprendizagem de conceitos de Associações de resistores, com a atuação dos alunos na montagem dessas associações. 9.8.4. Conteúdo físico enfocado nesta aula: Associações de resistores em paralelo e em série; e suas características. 9.8.5. Recursos instrucionais a serem utili zados: Um kit com 10 resistores (em média cada resistor custa em torno de R$ 0,10) 9.8.6. Primeiro momento da aula (20 minutos):

Peça que os alunos em grupo de 5 integrantes no máximo, meçam cada resistor

Depois, os alunos devem construir figuras associando os resistores e devem medir novamente, por que agora os valores são outros??? 9.8.7. Segundo momento da aula (20 minutos): Introduzir a teoria de associação de resistores e relacionar com as instalações de lâmpadas, tomadas, etc. Veja alguns exemplos de associações de resistores utilizando o virtualab nos anexos.

9.8.8. Terceiro momento da aula – Proposta de trabalho extra-classe (3 minutos): • Solicitar que os alunos tragam para próxima aula, uma conta de luz de sua

residência; • leiam o texto seguinte e pesquisem para responder as questões abaixo: 1) Qual é a concessionária responsável pelo fornecimento de energia elétrica em

seu bairro? 2) Quais os benefícios e prejuízos que a privatização do Sistema Eletrobrás

trouxe para o nosso país? 3) A energia elétrica que chega em sua casa é proveniente de qual usina

hidrelétrica? 4) Como a energia elétrica é gerada nas usinas hidrelétricas ?


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5) A usinas hidrelétricas de Itaipu e Tucuruí são responsáveis pelo abastecimento de quais regiões?

6) Por que o Brasil se uniu ao Paraguai para a construção da Usina de Itaipu? 7) Quais as usinas hidrelétricas mais importantes do Brasil? 8) No texto, mencionamos que existe também as usinas termoelétricas geradoras

de energia elétrica. Quais são as mais importantes do nosso país? Há outros tipos de usinas, além da hidrelétrica e da termoelétrica, geradoras de energia elétrica?

9) As grandes usinas hidrelétricas geram grandes quantidades de energia elétrica. Esta energia percorre longas distâncias para chegar em nossa casa e no caminho, parte dela é transformada em outros tipos de energia, como em calor, não são utilizados. Com isso, ocorre grandes desperdícios de energia e de dinheiro. Como este problema poderia ser resolvido?

10) Faça uma pesquisa sobre o “apagão” que ocorreu em 1999, nas regiões sul e sudeste e comente sobre o que foi feito ou tem sido feito para evitá-lo?

Proposta de trabalho escrito: Fazendo uso da interdisciplinaridade – Física e Geografia, temos o objetivo de novamente destacar a presença da Física em nosso cotidiano. Além disso os alunos conhecerão um pouco sobre o fornecimento de energia elétrica em nosso país, bem como sua história. 9.8.9. Anexo: Texto sobre o surgimento da rede elétrica e a eletricidade no Brasil .


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HISTÓRIA DA ELETRICIDADE

Capítulo 2: 1. Surgimento da Rede Elétrica.

Uma rede elétrica é composta basicamente de energia elétrica, fios e lâmpadas. Conforme o texto utilizado na primeira aula, no final do século XVIII, os físicos já tinham conhecimento sobre a energia elétrica e sobre os fios condutores. Então, para se chegar à construção de uma rede elétrica, faltavam as lâmpadas.

Em 1878, com 31 anos, o físico norte americano Tomas Alva Edison

propôs a si mesmo o desafio de obter luz a partir da energia elétrica. (É bom lembrarmos que sequer existia, na época, qualquer rede elétrica já instalada. Para Edison, isso constituía um problema menor. Se a lâmpada elétrica desse certo, ele haveria de gerar a energia e implantar a rede para conduzi-la.)

Outros pesquisadores já haviam tentado construir lâmpadas elétricas.

Nernst e Swan, por exemplo, haviam obtido alguns resultados, mas seus dispositivos tinham vida bastante curta.

Edison tentou inicialmente utilizar filamentos metálicos. Foram necessários

enormes investimentos e milhares de tentativas (diz a lenda que ele testou a a lâmpada, com diferentes filamentos, cerca 10.000 vezes) para descobrir o filamento ideal: um fio de algodão parcialmente carbonizado, que instalado num bulbo de vidro com vácuo, se aquecia com a passagem da corrente elétrica até ficar incandescente, sem porém derreter, sublimar ou queimar. Em 1879, uma lâmpada assim construída brilhou por 48 horas contínuas e, nas comemorações do final de ano, uma rua inteira, próxima ao seu laboratório, foi iluminada para demonstração pública.

Dois anos depois, Edison construía a primeira estação geradora de

eletricidade, em Nova York, a primeira cidade a ser iluminada. Essa tecnologia não demorou muito a chegar ao Brasil.

2. A Eletricidade no Brasil . O emprego da energia elétrica no país teve como marcos pioneiros a

instalação da Usina Hidrelétrica Ribeirão do Inferno, em 1883, destinada ao fornecimento de força motriz a serviços de mineração em Diamantina, Minas Gerais e a Usina Hidrelétrica da Companhia Fiação e Tecidos São Silvestre, de 1885, no município de Viçosa, também em Minas Gerais. E até a primeira década do século XX, foram construídas um grande número de outras pequenas usinas


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geradoras de energia elétrica, cuja produção visava o atendimento dos serviços públicos instalados nas cidades, sendo empregada predominantemente na iluminação pública e particular, nos bondes utilizados para o transporte coletivo e no fornecimento de força motriz a unidades industriais, sobretudo do setor têxtil.

Os primeiros concessionários dos serviços de eletricidade constituíam-se

de pequenos produtores e distribuidores nacionais, organizados como empresas de âmbito municipal por fazendeiros, empresários e comerciantes locais. Eram freqüentes as instalações autoprodutoras nas indústrias e em unidades de consumo doméstico, no setor agrícola.

Mas a necessidade de atender à crescente demanda por iluminação,

abastecimento de água, esgoto, transportes e telefonia, e a impossibilidade de seu atendimento diretamente por parte da administração pública, fizeram com que os governantes terceirizassem os serviços de fornecimento de energia elétrica para os investidores nacionais. Principalmente no estado de São Paulo, os pequenos produtores e distribuidores de energia elétrica, formaram grupos que, posteriormente, passaram a controlar áreas mais extensas nos territórios estaduais. Dois exemplos desse processo levaram à criação da Companhia Brasileira de Energia Elétrica (CBEE), em 1909, e a criação da Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL), em 1912.

E a partir de 1899, o capital nacional passou a conviver com os

investimentos estrangeiros. Nesse ano, foi autorizada a funcionar no país a São Paulo Railway, Light and Power Company Ltda. - empresa canadense que deu início à atuação do Grupo Light no Brasil, e que no mesmo ano passaria à denominação São Paulo Tramway, Light and Power Company Ltda. Esse fato determinou, na segunda metade da década de 1920, a considerável monopolização e desnacionalização do setor.

Assistiu-se naquele momento ao aumento do número de usinas instaladas,

num processo de crescimento constante, iniciado na virada do século. Em especial, as usinas construídas pelos grupos estrangeiros passaram a contar com uma capacidade instalada bastante superior às unidades instaladas por iniciativa das concessionárias nacionais. Neste período, a hidreletricidade tornou-se predominante, principalmente na região Sudeste do país. As usinas termelétricas, mais numerosas na fase pioneira do setor, restringiram-se a áreas economicamente menos ativas e com menos abundância de recursos hídricos.

Nesse período, parte das empresas de capital nacional foram transferidas

para o controle das empresas estrangeiras e, em 1930, as atividades ligadas à energia elétrica estavam claramente dominadas pelo Grupo Light, concentrado no eixo Rio de Janeiro - São Paulo, e pela Amforp (outra empresa estrangeira) em diversas capitais estaduais, situação que viria a perdurar até meados dos anos 1960.

A energia elétrica teve sua produção e uso implantados no Brasil num

período em que o país conheceu um grande desenvolvimento político, econômico e social. O novo regime republicano se consolidava e começava a sofrer transformações de cunho doutrinário. A economia crescia a partir da riqueza da


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agroexportação e, ao mesmo tempo, diversificava-se e criavam-se as condições para a industrialização.

A sociedade assistiu ao fortalecimento de novos segmentos e à inovação dos costumes, oriunda do progresso tecnológico, com a superação da iluminação a gás e da tração animal dos bondes, nas cidades. A energia elétrica instalou-se no Brasil, a um só tempo, como conseqüência e como condição das transformações da vida nacional.

Entre 1940 e 1941 foram construídas a Companhia Siderúrgica Nacional

(CSN, 1941), a Companhia Vale do Rio Doce (CVRD, 1942), a Companhia Nacional de Álcalis (CNA, 1943) e a Companhia Hidro-Elétrica do São Francisco (Chesf, 1945).

Durante o período da Ditadura, os governantes, prevendo um programa de

expansão da geração de energia elétrica no país, decidiram por centralizar o setor elétrico novamente em suas mãos. O Plano Nacional de Eletrificação delineou uma profunda reestruturação setorial, criando a Eletrobrás, em 1964, a qual tornou-se responsável pelo suprimento de energia elétrica às empresas atuantes no segmento de distribuição.

A Eletrobrás passou a atuar como empresa holding das concessionárias

públicas de energia elétrica do governo federal e no planejamento setorial, responsabilizando-se pela definição dos programas de expansão do sistema elétrico brasileiro. Dentre suas atribuições, incluíram-se a realização de estudos e projetos e a construção e operação de usinas e de linhas de transmissão.

A nacionalização do setor de energia elétrica foi acelerada com a

aquisição, pelo governo federal, dos ativos das empresas do Grupo Amforp e em 1979, o governo federal adquiriu as empresas do Grupo Light, o que deu origem à Light Serviços de Eletricidade S.A. (Light), subsidiária da Eletrobrás, atuando no Rio de Janeiro, e à Eletricidade de São Paulo S.A. (Eletropaulo), controlada pelo governo do estado de São Paulo.

O crescimento do consumo anual de energia elétrica, entre 1970 e 1980,

atingiu o índice de 10 %. Além disso, a crise do petróleo, em 1973, levou à substituição, incentivada pelo governo federal, do uso de combustíveis fósseis pela eletricidade nas indústrias eletrointensivas. Nesse contexto, foram implementados projetos de construção de grandes centrais elétricas, com a Usina Hidrelétrica Tucuruí, sob a responsabilidade da Eletronorte, e a Usina Hidrelétrica Itaipu, executada pelos governos do Brasil e do Paraguai por meio da Itaipu Binacional.

No governo de Fernando Collor de Mello (1990 -1992), foi proposta a

privatização do setor de energia elétrica brasileiro, que definiu como prioridade a venda das empresas distribuidoras majoritariamente controladas pelos governos estaduais.

Essa proposta foi incentivada durante o governo de Itamar Franco (1992-

1994), o qual autorizou mudanças legislativas que estabelecia um novo regime tarifário para as empresas de energia elétrica e conferiu ao Congresso Nacional


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poderes para autorizar a venda das empresas. E a privatização do sistema Eletrobrás aconteceu de fato, em 1995, no início da gestão de Fernando Henrique Cardoso .

Hoje, todo o sistema Eletrobrás encontra-se privatizado e grande parte do

sistema de distribuição e fornecimento de energia elétrica do Brasil passou novamente a pertencer aos investidores estrangeiros.

Texto extraído do site: www.conviteafisica.com.br


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9. 9. Aula 9 9.9.1. Tema da aula: Cálculo do consumo elétrico nas residências 9.9.2. Objetivo: visando trazer significado na aprendizagem dos conceitos de Eletricidade, nesta aula abordaremos o consumo de energia elétricas nas residências. 9.9.3. Motivação: Mais uma ação de cidadania, conscientizando os alunos sobre o consumo de energia elétrica e os cálculos da conta pagas pelos seus familiares. 9.9.4. Conteúdo físico enfocado nesta aula: conceitos de potência elétrica. 9.9.5. Recursos instrucionais a serem utili zados: Utilização da Internet: acesso ao site da eletropaulo. 9.9.6. Primeiro momento da aula (25 minutos): Acesse ao site da eletropaulo, para que os alunos possam efetuar cálculos de consumo, cálculo de tarifa (não esquecer o icms),etc. Site da eletropaulo é www.eletropaulo.com.br Veja, nos anexos, uma simulação executada no site da eletropaulo, onde introduzimos os equipamentos elétricos, consumo, etc e teremos a previsão de consumo e o valor da conta. 9.9.7. Segundo momento da aula (20 minutos): Verifique a que conclusões chegaram os alunos e discuta.


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9. 10. Aula 10 9.10.1. Tema da aula: Aplicações dos conceitos abordados até agora 9.10.2. Objetivo: Através da análise de um aparelho elétrico, os alunos devem ser capazes de identificar seu funcionamento com os conceitos. 9.10.3. Motivação: Maior compreensão do assunto, analisando um aparelho elétrico presentes no seu cotidiano. 9.10.4. Conteúdo físico enfocado nesta aula: revisão de conceitos aprendidos nas aulas anteriores. 9.10.5. Recursos instrucionais a serem utilizados: Lanterna de mão para analisar 9.10.6. Primeiro momento da aula (20 minutos):

Circuito de uma lanterna de mão Pergunte aos alunos, se eles alguma vez já desmontaram complemente uma lanterna de mão para analisar como ela funciona. Mostre aos alunos a ilustração abaixo como são dispostas as várias partes de uma típica lanterna de mão:

Peça para que os alunos em grupo, discutam sobre o funcionamento da Lanterna de mão. 9.10.7. Segundo momento da aula (20 minutos):


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Discussão sobre as conclusões dos grupos, explorando as idéias para explicar a estrutura de uma lanterna elétrica 9.10.8. Anexo: Estrutura da Lanterna elétrica Por que o projetista escolheu essa particular combinação de materiais? As partes metálicas da lanterna são postas para conduzir a corrente elétrica quando a lanterna é posta para funcionar e, além disso, foram escolhidas para resistirem aos esforços físicos aos quais são submetidas. A mola metálica, por exemplo, não só permite caminho elétrico para a corrente como também mantém no lugar, sob pressão, as pilhas em seu interior. as partes metálicas do interruptor têm que garantir bom contato elétrico e não ficarem danificadas pelo uso contínuo. Uma lanterna também tem partes feitas com material não condutor de corrente elétrica, tais como plásticos e borrachas. A cobertura de plástico dessa lanterna é um isolante elétrico. Sua forma é importante para que se tenha um manuseio cômodo. Sua cor a tornará mais ou menos atraente aos olhos do usuário. Como podemos observar, os circuitos elétricos contem sempre partes que conduzem e partes que não conduzem correntes elétricas. O segredo todo, nos circuitos elétricos, é delimitar um caminho p ré planejado para a corrente. A lâmpada incandescente e o refletor compõem o sistema óptica da lanterna. A posição da lâmpada dentro do refletor deve ser tal que permita a obtenção de um feixe estreito de luz. Uma lanterna é um produto elétrico simples, mas muita gente já perdeu noites de sono em seus projetos para que você tenha um dispositivo que trabalhe bem. Há alguma outra coisa que o projetista deva levar em consideração na produção em massa de lanternas? Um modo "mais científico" para descrever uma lanterna implica no uso de um diagrama de circuito. Nele, as partes relevantes da lanterna serão representadas através de símbolos:


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Diagrama de circuito de uma lanterna elétrica Nesse circuito foram representadas simbolicamente, duas células voltaicas (pilhas), formando uma bateria, um interruptor e uma lâmpada incandescente. As linhas no diagrama representam condutores metálicos (fios) que conectam as partes entre si formando o circuito completo. Um circuito elétrico é necessariamente um percurso fechado. Na lanterna, o fechamento do interruptor completa o circuito, permitindo a passagem da corrente elétrica. Lanternas às vezes falham! Isso acontece quando as partes metálicas do interruptor ou da lâmpada não entram efetivamente em contato (devido à sujeiras ou ferrugens), quando a lâmpada "queima" (interrupção em seu filamento) ou quando as pilhas "pifam" (esgotam suas energias químicas armazenadas, popularmente, ficam “descarregadas”). Em qualquer um desses casos, o circuito estará incompleto.


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10. Atividades para Avaliação Estamos sugerindo algumas atividades para serem realizadas pelos alunos ao longo do curso de eletricidade. I - Propomos que cada aluno ou então uma dupla, faça uma entrevista com um eletricista. As perguntas podem ser livres ou as mesmas respondidas por eles na terceira aula, pois assim o professor poderá trabalhar as concepções alternativas dos alunos e comparar as respostas dos alunos com as dos eletricistas entrevistados. Será avaliada a criatividade dos alunos através das perguntas feitas por eles e as conclusões deles quando compararem as respostas. Esta atividade deverá ser entregue por escrito. II - Com os conhecimentos adquiridos em sala e do trabalho feito com o software Eletricity pedir aos alunos que montem o circuito ideal para uma residência . Eles podem usar o próprio programa para verificar se suas idéias estão corretas (seria uma ferramenta). Entregariam um desenho com os tipos de ligações que foram feitas (paralelo e série). Aqui também seria avaliada a criatividade e a participação dos alunos em sala. III - A terceira atividade é a proposta para uma possível Feira de Ciências ou Cultural, como é chamada em algumas escolas. Os alunos demonstrariam o funcionamento de uma Usina Hidrelétrica. Para isso seria feita uma maquete de uma cidade sendo abastecida pela usina. Mostrariam o mecanismo das turbinas e a geração da energia. Também poderiam abordar outras fontes de energia como a nuclear, a eólica e a solar e questões ambientais (trabalho que pode ser feito com os professores de Química e Biologia). Poderiam demonstrar os circuitos feitos em sala , explicando o funcionamento. Com computadores na sala demonstrariam o software e fazer com que cada visitante calcula-se seu consumo de energia no site da Eletropaulo. IV - Os alunos também não ficariam livres de trabalhar com a resolução de problemas e exercícios tradicionais de calculo de corrente , potência , resistência. Assim seriam feitas listas para aplicação e uma avaliação formal com questões desse tipo. Exemplo de questões abertas para a avaliação


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1) Considere uma secadora de roupas com potência de 1200 W.

a) Qual é o significado dessa indicação? b) Que transformações de energia ele realiza quando está funcionando? c) Que energia (em Joules) esta máquina transforma em 1 hora?

2) Supondo que o custo de 1KWh de energia elétrica seja R$0,20, qual o gasto mensal da secadora do exercício anterior se ela funcionar 2 horas por dia? 3) Corrija a frase: “ preciso comprar um chuveiro para ligar na rede elétrica de 220 W” . 4) Imagine que você possa comprar disjuntores de 10 A , 12 A e 20 A . Qual você escolheria para instalar um chuveiro de 2800 watts e 220 V ? 5) Um fusível de 30 A foi instalado numa rede elétrica de 110 V. Quantas lâmpadas de 60 W podem ser ligadas ao mesmo tempo sem queimar o fusível? 6) Como o chuveiro pode aquecer a água de forma diferente nas posições verão e inverno , se está sempre submetido a uma tensão de 220 V ? 7) Por que os cabos de alta tensão devem ser grossos? 8) Por que , numa residência, existem várias chaves ou disjuntores? 9) Numa residência foram utilizados dois benjamins para ligar cinco aparelhos elétricos. Colocando-os para funcionar ao mesmo tempo o fusível da instalação “queimou”. Explique o que provocou a “queima”. V – O professor pode propor aos alunos criarem uma dramatização (teatro) envolvendo os cientistas estudados na aula 2 convidando-os a apresentar na Feira de Ciências.


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11. Considerações Finais

“Perrenoud (2000) nos lembra que não se vai à escola exclusivamente para aprender a exercer o ofício de aluno, ou se preparar para o programa dos graus seguintes. A escolaridade só tem sentido se o essencial do que nela se aprende possa ser investido fora dela, paralelamente ou mais tarde. O "repertório" do aluno deve permitir que ele transite entre contextos familiares e distantes. As competências, para este autor, são transversais, atravessam diversas situações. A escola define programas para fazer exames, para atender às demandas de vestibulares, mas não se preocupa em definir o que será sempre necessário saber quando os saberes dos programas estiverem esquecidos.”

TV Escola

Neste projeto, há ferramentas para o professor mudar, lançando mão das aulas tradicionais, expositivas em que se resumem na apresentação dos conceitos seguidos de exercícios de fixação deste conteúdo. Esta maneira de ensinar, pelo método puramente expositivo, torna o conhecimento volátil, momentâneo, que rapidamente será esquecido, se o aluno não tiver interesse em complementar o conteúdo por sua conta. Mais especificamente, a Eletricidade normalmente é abordada de maneira tão distante da realidade do aluno e no entanto, ela está tão presente no seu dia-a-dia, desde a conta de luz a ser paga até a aparentemente complexa instalação elétrica de sua casa. Entender como economizar reduzindo a “conta de luz”, além do benefício financeiro, traz a conscientização de que economizando ajuda a garantir a continuidade do desfrute de energia elétrica para o futuro. No site da Eletropaulo podemos extrair informações importantes sobre o consumo de energia elétrica que devem ser exploradas pelo professor na sala de aula.

Robilotta argumenta que sendo a física uma disciplina extremamente

complexa, ela é tratada indevidamente na sala de aula de modo simplificado, tornando muitas vezes ininteligível, e sugere a história da ciência como recuperação desta riqueza conceitual no processo do ensino. Na primeira aula praticando a interdisciplinaridade, além de envolver a interpretação de textos, sugerimos que os alunos pesquisem sobre as descobertas e os cientistas envolvidos, bem como a geração de energia (Usinas) na atualidade, incentivando com isso, o estudo autônomo.

Saber prevenir o choque elétrico, por exemplo, é primordial na

aprendizagem da eletricidade, pois se durante a aquisição dos conhecimentos físicos, ele em sua casa tentar se aventurar em alguma ligação elétrica, deverá saber dos riscos que ele corre. Outra preocupação na abordagem do assunto é torná-lo propagador destas informações de segurança. Ouvir caso reais, relatados por uma pessoa respeitada perante a população, um integrante do Corpo de Bombeiros, contribuem para uma melhor conscientização e aprendizagem no que se refere a prevenção de acidentes.


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Nossa intenção não foi de abolir as aulas expositivas nas salas de aula,

nem defender que ela não é importante. Tivemos a preocupação de evitar o ato de “descarregar” no aluno conceitos prontos, mas sim incentivá-lo a descobrir sozinho as respostas para suas dúvidas, ou seja, encorajá-lo a sair da posição passiva em que ele aceita tudo o que professor diz, ou mesmo, exige que o professor tenha as respostas para todas as suas dúvidas, como se o professor fosse uma enciclopédia ambulante ou um site de busca perfeito. Nas aulas propostas neste trabalho, sugerimos atividades práticas, em que o aluno primeiro constrói circuitos elétricos em um software, ou seja, de modo virtual e depois colocará a “mão na massa”, fazendo associações de resistores, estas experiências práticas, criam a oportunidade da inserção dos conteúdos com muito mais significado.

Esperamos que este projeto sirva como incentivo aos professores na

elaboração de outros planos de aulas visando a melhoria do ensino, pois é imprescindível que os educadores se preocupem mais em ensinar os alunos, preparando-os para a vida do que somente transformando-os em meras máquinas repetidoras de conceitos elaborados para os exames vestibulares, devem fazer com que os alunos aprendam a pensar, a raciocinar, e aplicar os seus conhecimentos para entender melhor o mundo em que vivemos e procurar tornar melhor a vida das pessoas.


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12. Bibliografia SERWAY, Raymond A., Física 3: para cientistas e engenheiros com Física

Moderna. 3 ª ed. Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos Editora, 1996. GONÇALVEZ, Aurelio filho e Elisabeth Barolli. Instalações Elétricas: Investigando

e aprendendo. Série Universo da Ciência. 2ª ed. São Paulo, Editora Scipione. Textos: • O cinza, o branco e o preto – da relevância da História da ciência no ensino da

Física (Robilotta); • Ensino de Física: conteúdo, metodologia e epistemologia numa concepção

integradora (Maurício Pietrocolla). Sites: • Sobre história da física:

www.conviteafisica.com.br • Sobre segurança

Do Corpo de Bombeiros - www.polmil.sp.gov.br/ccb

• www.eletropaulo.com.br


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Anexos


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Teoria

A lei de ohm

A relação entre a intensidade da corrente elétrica (I), a tensão elétrica (U) e a resistência elétrica (R)

foi descoberta por georg simon ohm. Ele fez seus próprios fios resistores. Com eles, conseguiu mostrar que a intensidade da corrente depende de seus comprimentos e de suas espessuras, quando a tensão sobre eles e a temperatura são mantidos constantes.

Suas observações (a,b,c), feitas sob tensão e temperatura constantes, foram as seguintes:

(1) a intensidade da corrente elétrica diminui quando se aumenta o comprimento do fio, sem alterar sua espessura;

R aumenta quando o comprimento do fio aumenta. (2) a intensidade da corrente elétrica aumenta conforme se aumenta a espessura do fio, sem alterar seu

comprimento; R diminui quando a espessura do fio aumenta. (3) com comprimento e espessura constantes, a intensidade da corrente se altera quando se substitui um

material condutor por outro; R depende do material de que é feito o fio. (4) usando-se sempre o mesmo fio, mantido à temperatura constante, a intensidade da corrente aumenta

quando se aumenta a tensão aplicada. Dessas observações, Ohm conclui que, se a temperatura for mantida constante, a relação Tensão elétrica : corrente elétrica ou U :I mantinha-se constante para qualquer fio particular. Essa constante é exatamente o valor da resistência elétrica do fio em questão. Em símbolos: U :I = constante = R reorganizando a lei de ohm podemos obter duas expressões adicionais: U = R. I e I = U : R escrita dessa última forma, a lei de ohm estabelece que, sob temperatura constante, a intensidade de corrente que circula por um material é diretamente proporcional à tensão elétrica (d.d.p.) aplicada e inversamente proporcional à sua resistência elétrica. Essas equações simples são fundamentais para a eletrônica e, uma vez que você aprende a usá-las corretamente, verá que constituem chaves para resolução de delicados problemas sobre circuitos elétricos. nota: por motivos que será oportunamente explicado (potencial elétrico), evite escrever a lei de ohm sob a forma V = R. I a letra “V” refere-se a um potencial elétrico e, resistor não funciona sob a ação de um potencial elétrico e sim sob a ação de um diferença de potenciais elétricos. sob esse prisma, será perfeitamente válido escrever V – V´= R . I , onde V – V´ indica uma diferença de potenciais elétricos (d.d.p.). Para que servem os resistores? Na prática, os resistores limitam a intensidade de corrente elétrica através de determinados componentes. Uma aplicação típica disso, como exemplo, é o resistor associado em série com um led, como se ilustra:


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Nesse circuito, o resistor limita a corrente que passa através do led, permitindo apenas uma intensidade suficiente para que ele possa acender. Sem esse resistor a intensidade de corrente através do led iria danificá-lo permanentemente.

O "retângulo" com terminais é uma representação simbólica para os resistores de valores fixos tanto na europa como no reino unido; a representação em "linha quebrada" (zig-zag) é usada nas américas e japão.

Apesar disso, nas ilustrações eletrônicas brasileiras (de revistas etc.) opta-se pelo "retângulo", talvez por simplicidade do desenho. Limitador de corrente No caso do circuito abaixo, o resistor tem a função de limitar a corrente que passa pelo led para que ele funcione corretamente e não se queime. mas que resistor deve ser colocado deve ser conectado em série com um led? Observe a ilustração:

Um led típico requer uma corrente de intensidade de 10 ma e proporciona uma "queda de tensão" de 2v enquanto está aceso. nossa fonte de tensão fornece 9v. qual deve ser a tensão entre os terminais de r1?

A resposta é 9v – 2v = 7v. Lembre-se que a soma das tensões sobre componentes em série deve ser igual à tensão da fonte de alimentação. Agora, com relação a R1, temos duas informações: a intensidade de corrente que passa por ele (10mA) e a tensão que ele suporta (7V). Para calcular sua resistência usamos a fórmula: R1 = U / I substituindo-se U e I por seus valores temos: R1 = 7V /0,01A = 700 Ω Cuidado com as unidades!


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A fórmula deve ser aplicada com as grandezas (resistência, tensão e intensidade de corrente elétrica) medidas nas unidades fundamentais que são, respectivamente, ohm (Ω), volt (v) e ampère (a). No caso, os 10 mA devem ser convertidos para 0,01A, antes de se fazer a substituição. Exercício:

1. no circuito por acender um led, a fonte de alimentação fornece 6 v. qual deve ser o valor de r1? se a fonte for substituída por outra de 9v, qual o novo valor de r1? resolução:

Resistores em série e em paralelo Em um circuito série constatam-se as seguintes propriedades: a) todos os componentes são percorridos por corrente de mesma intensidade; b) a soma das tensões sobre todos os componentes deve ser igual à tensão total aplicada; c) a resistência total da associação é igual à soma das resistências dos componentes individuais. Comentemos isso tendo em vista o circuito ilustrado a seguir, onde temos dois resistores R1 e R2 conectados em série, sob tensão total de 6V:

a) em todos os pontos do circuito (inclusive dentro da bateria de 6V) a intensidade de corrente é de 3 mA; b) a tensão sobre cada resistor (de valores iguais, nesse exemplo) é de 3V. A soma dessas duas tensões é igual à tensão mantida pela bateria. c) a resistência total da associação vale 2KW , dada pela expressão: Rtotal = R1 + R2

Nesse circuito, a intensidade de corrente foi obtida pela fórmula: I = Utotal / Rtotal substituindo: I = 6V / 2 000Ω = 0,003 A = 3 mA a tensão elétrica (d.d.p.) sobre o resistor R1 será obtida por: U1 =R1. I = 1 000Ω x 0,003A = 3V A tensão elétrica sobre o resistor R2 deve ser também de 3V, uma vez que a soma delas deve dar os 6V da fonte de alimentação. Em um circuito paralelo constatam-se as seguintes propriedades: a) todos os componentes suportam a mesma tensão elétrica;


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b) a soma das intensidades de corrente nos componentes individuais deve ser igual à intensidade de corrente total; c) a resistência total da associação é calculada pelo quociente entre o produto das resistências individuais e a soma delas (cuidado: isso vale só para 2 resistores em paralelo!). A próxima ilustração nos mostra dois resistores conectados em paralelo e alimentados por uma bateria de 6v:

a) ambos os resistores R1 e R2 funcionam sob a mesma tensão (6V). Cada um deles está ligado diretamente na fonte de alimentação; b) a corrente total (12 mA, veja cálculo abaixo) divide-se em duas parcelas iguais (6mA) porque os resistores têm resistências iguais; c) a resistência total é dado pelo produto dividido pela soma das resistências: Rtotal = R1 x R2 R1 + R2

Observe que circuitos em paralelos provêm caminhos alternativos para a circulação da corrente elétrica, sempre passando a maior intensidade pelo caminho que oferece a menor resistência. Se as resistências do paralelo tiverem o mesmo valor a corrente total divide-se em partes iguais. Vejamos os cálculos do circuito acima:

1. Cálculo da resistência total:

R1 x R2 1000ΩΩ x 1000ΩΩ Rtotal = ___________ = __________________ = 500ΩΩ

R1 + R2 1000ΩΩ+ 1000ΩΩ

2. Cálculo da corrente total:

Utotal 6 V Itotal = _______ = _______ = 0,12 A Rtotal 500ΩΩ

3. Cálculo da corrente no resistor R1:

Utotal 6 v I1 = ____ =_____ = 6mA R1 1000ΩΩ

Para R2 teremos resultado idêntico.

NOTA Uma fórmula alternativa para o cálculo da resistência total para dois resistores é: 1/Rtotal = 1/R1 + 1/R2 . Apesar de aritmeticamente ser mais trabalhosa para cálculos mentais, ela é mais geral, pois pode ser estendida a mais de dois resistores. Para o cálculo da resistência total de 4 resistores (iguais ou não) em paralelo teremos:

1/Rtotal = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4

Vejamos agora um circuito mais complexo, contendo partes em série e parte em paralelo:


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a) Cálculo da resistência total:

1. Comecemos pelos resistores em paralelo. Como vimos no exemplo anterior, a resistência total de dois

resistores iguais em paralelo vale metade da de um deles. Como cada um tem resistência de 1KΩ , a

associação terá resistência de 500Ω .

2. Esses 500Ω estarão em série com os 1000Ω da resistência R1 logo, a resistência total será 1000Ω +

500Ω = 1500Ω .

b) Cálculo da corrente total:

Itotal = Ucomum / Rtotal = 6V / 1500ΩΩ = 0,004A = 4mA

Essa corrente é a que passa pelo interior da bateria, passa através de R1 e subdivide-se em duas parcelas iguais (porque os resistores do paralelo são iguais) que passam por R2 e R3.

c) Tensão sobre R1:

U1 = R1.I = 1000ΩΩ x 0,004A = 4V

d) Tensão sobre R2 e R3:

Pode ser obtida por dois caminhos:

1. Tensão total (6V) - tensão sobre R1 (4V) = tensão no paralelo (2V);

2. U2 ou 3 = R2 ou 3 x I2 ou 3 = 1000Ω x 0,002A = 2V

Potência nos resistores e equipamentos elétricos

Quando corrente elétrica circula através de resistores, especificamente, e nos condutores, em geral, esses sempre se aquecem. Neles ocorre conversão de energia elétrica em energia térmica. Essa energia térmica produzida, via de regra, é transferida para fora do corpo do resistor sob a forma de calor.

Isso torna-se óbvio se examinarmos o que acontece no filamento da lâmpada da lanterna. Seu filamento comporta-se como um resistor de resistência elevada (em confronto com as demais partes condutoras do circuito). Nele a energia elétrica proveniente das pilhas, via corrente elétrica, é convertida em energia térmica. Essa quantidade aquece o filamento até que ele adquira a cor branca e passa a ser transferida para o ambiente sob a forma de calor e luz. A lâmpada é um transdutor de saída, convertendo energia elétrica em energia térmica e posteriormente em calor (parcela inútil e indesejável) e luz (parcela útil).

Embora não tão evidente como na lâmpada e em alguns resistores de fonte de alimentação, esse aquecimento devido à passagem de corrente elétrica ocorre com todos os componentes eletrônicos, sem


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exceção. A maior ou menor quantidade de energia elétrica convertida em térmica num componente depende apenas de dois fatores: a resistência ôhmica do componente e a intensidade de corrente elétrica que o atravessa. Esses dois fatores são fundamentais para se conhecer a rapidez com que a energia elétrica converte-se em térmica.

A rapidez de conversão de energia, em qualquer campo ligado à Ciência, é conhecida pela denominação de potência.

A potência de um dispositivo qualquer nos informa "quanto de energia" foi convertida de uma modalidade para outra, a cada "unidade de tempo" de funcionamento.

Energia convertida Potência = ____________________ Tempo p/ conversão

As unidades oficiais para as grandezas da expressão acima são: Potência em watt (W), Energia em joule (J) e Tempo em segundo (s).

Em particular, na Eletrônica, a potência elétrica nos informa quanto de energia elétrica, a cada segundo, foi convertida em outra modalidade de energia. Em termos de grandezas elétricas a expressão da potência pode ser posta sob a forma:

Potência elétrica = tensão x intensidade de corrente

Ou

P = U . I

Ö Usando da definição de tensão e intensidade de corrente elétrica você conseguiria chegar a esse resultado? Isso é importante para que você perceba que essa 'formula' não foi tirada de uma 'cartola mágica'!

Dentro da Eletrônica, para os resistores, onde a energia elétrica é convertida exclusivamente em energia térmica (a mais degradadas das modalidade de energia ... a mais "vagabunda", "indesejável", "inútil" etc.), essa potência passa a ser denominada potência dissipada no resistor.

Desse modo, podemos escrever: P = U . I = (R.I). I = R . I2

Lembre-se disso: para calcular a potência dissipada por resistores podemos usar das expressões P = U.i ou P = R.I2.

Ö Você poderia deduzir uma terceira expressão para o cálculo da potência dissipada em resistor? Tente, e eis uma dica: na expressão P = U.I, deixe o U quieto e substitua o I por U/R.

Vamos checar o entendimento disso:

a) Uma máquina converte 1000 joules de energia térmica em energia elétrica a cada 2 segundos. Qual sua potência?

b) Um resistor submetido à tensão de 10V é atravessado por corrente elétrica de intensidade 0,5A. Qual sua resistência? Que potência ele dissipa?

c) Um resistor de resistência 100 ohms é percorrido por corrente d.c. de 200 mA. Que tensão elétrica ele suporta? Que potência ele dissipa?

É importante e indispensável que a energia térmica produzida num resistor seja transferida para o meio ambiente sob a forma de calor. Ora, essa transferência irá depender, entre outros fatores, da superfície do corpo do resistor. Quanto maior for a área dessa superfície mais favorável será essa transferência. Um resistor de tamanho pequeno (área pequena) não poderá dissipar (perder energia térmica para o ambiente sob a forma de calor) calor com rapidez adequada, quando percorrido por corrente muito intensa. Ele irá se aquecer em demasia o que o levará à destruição total.

A cada finalidade, prevendo-se as possíveis intensidades de corrente que o atravessarão, deve-se adotar um resistor de tamanho adequado (potência adequada) para seu correto funcionamento. Quanto maior o tamanho físico de um resistor maior será a potência que pode dissipar (sem usar outros artifícios).

A ilustração abaixo mostra resistores de tamanhos diferentes:


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O resistor de carvão mais comum nos circuitos de aprendizagem são os de 0,5W. Em média, tais resistores, pelo seu tamanho, podem dissipar calor à razão de 0,5 joules a cada segundo, ou seja, têm potência máxima de 0,5W.

Alguns tipos de resistores (cujo tamanho físico não pode exceder umas dadas dimensões ... mesmo porque nem caberiam nas caixas que alojam o circuito) devem usar outros recursos que permitam uma maior dissipação para os seus tamanhos. Um dos recursos é manter uma ventilação forçada mediante ventiladores. Outro, é coloca-los no interior de uma cápsula de alumínio dotada de aletas. Isso determina uma superfície efetiva bem maior. Temos uma ilustração dessa técnica na figura acima, para o resistor de 25W.

Código d e cores

Como os valores ôhmicos dos resistores podem ser reconhecidos pelas cores das faixas em suas superfícies?

Simples, cada cor e sua posição no corpo do resistor representa um número, de acordo com o seguinte esquema, COR !" :

PRETO

MARROM VERMELHO LARANJA AMARELO VERDE

AZUL

VIOLETA

CINZA

BRANCO

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

A PRIMEIRA FAIXA em um resistor é interpretada como o PRIMEIRO DÍGITO do valor ôhmico da resistência do resistor. Para o resistor mostrado abaixo, a primeira faixa é amarela, assim o primeiro dígito é 4:

A SEGUNDA FAIXA dá o SEGUNDO DÍGITO. Essa é uma faixa violeta, então o segundo dígito é 7. A TERCEIRA FAIXA é chamada de MULTIPLICADOR e não é interpretada do mesmo modo. O número associado à cor do multiplicador nos informa quantos "zeros" devem ser colocados após os dígitos que já temos. Aqui, uma faixa vermelha nos diz que devemos acrescentar 2 zeros. O valor ôhmico desse resistor é então 4 7 00 ohms, quer dizer, 4 700 ou 4,7 k .


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Verifique novamente, nosso exemplo, para confirmar que você entendeu realmente o código de cores dados pelas três primeiras faixas coloridas no corpo do resistor.

A QUARTA FAIXA (se existir), um pouco mais afastada das outras três, é a faixa de tolerância. Ela nos informa a precisão do valor real da resistência em relação ao valor lido pelo código de cores. Isso é expresso em termos de porcentagem. A maioria dos resistores obtidos nas lojas apresentam uma faixa de cor prata, indicando que o valor real da resistência está dentro da tolerância dos 10% do valor nominal. A codificação em cores, para a tolerância é a seguinte:

COR MARROM VERMELHO OURO PRATA

TOLERÂNCIA + ou – 1% + ou – 2% + ou – 5% + ou – 10%

Nosso resistor apresenta uma quarta faixa de cor OURO. Isso significa que o valor nominal que encontramos 4 700 # $ tem uma tolerância de 5% para mais ou para menos. Ora, 5% de 4 700 % $ são 235 % $ então, o valor real de nosso resistor pode ser qualquer um dentro da seguinte faixa de valores: 4 700 % $ - 235 % $ & 4 465 ' ( e 4 700 ' ( )+*-,-.0/ 132 4 935 / 1 .

A ausência da quarta faixa indica uma tolerância de 20%.

Quando você for ler em voz alta um valor ôhmico de resistor (a pedido de seu professor), procure a faixa de tolerância, normalmente prata e segure o resistor com essa faixa mantida do lado direito. Valores de resistências podem ser lidos rapidamente e com precisão, isso não é difícil, mas requer prática!

Entendeu mesmo ...

Ainda sobre o código de cores

O código de cores como explicado acima permite interpretar valores acima de 100 ohms. Com devido cuidado, ele pode se estendido para valores menores.

4Como serão as cores para um resistor de valor nominal 12 ohms?

Será: marrom, vermelho e preto.

A cor preta (0) para a faixa do multiplicador indica que nenhum zero (0 zeros) deve ser acrescentado aos dois dígitos já obtidos.

4Qual será o código de cores para 47 ohms?

A resposta é: amarelo, violeta e preto.

Usando esse método, para indicar valores entre 10 ohms e 100 ohms, significa que todos os valores de resistor requerem o mesmo número de faixas.

Para resistores com valores ôhmicos nominais entre 1 ohm e 10 ohms, a cor do multiplicador é mudada para OURO. Por exemplo, as cores marrom, preto e ouro indicam um resistor de resistência 1 ohm (valor nominal).

Outro exemplo, as cores vermelho, vermelho e ouro indicam uma resistência de 2,2 ohms.

Resistores de filme de metal, fabricados com 1% ou 2% de tolerância, usam freqüentemente um código com, 4 faixas coloridas para os dígitos e 1 faixa para a tolerância, num total de 5 faixas.

Assim, um resistor de 1k / 1 5-687 terá as seguintes faixas:

marrom, preto, preto, marrom marrom 1 0 0 1zero 1%

Já, um resistor de 56k 9 :;5=<37 terá as seguintes faixas:

verde, azul, preto, vermelho vermelho 5 6 0 2zeros 2%

É provável que você utilize resistores de valores pequenos assim como resistores de filme de metal em algumas ocasiões, por isso é útil saber esses detalhes. A maioria dos circuitos eletrônicos, porém, será


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montada com resistores de carvão (filme de carbono) e, portanto, o mais usado será o código de três cores + tolerância. Esse você tem que dominar, com certeza!

Fotosensor - LDR (Com indicação sono ra, sensor)

Objetivo O projeto a seguir não constitui excepcional novidade para os 'macanudos' em eletrônica. Para o aluno e o espectador médio, entretanto, é um mundo novo de pecinhas, fios entrelaçados e esquemas intrincados. A intenção desse projeto numa Feira de Ciências é despertar alunos e espectadores para essa realidade eletrônica que nos cerca, levantando uma pequena ponta do véu do mistério. O aluno pode desenvolver excelente trabalho sobre o tema, desenvolvendo-o passo a passo, experimentando cada etapa num verdadeiro espírito científico, diferenciando-se assim da mera função de montar o dispositivo, incidir luz sobre o fotosensor resistivo e escutar o som emitido. Esse alarde final, o som estridente, é realmente, o que menos interessa, pois em seu lugar poderíamos acender uma lâmpada (ou apagá-la), acionar um motor elétrico, desligar o TV, acender o fogão, abrir a válvula eletromagnética de uma torneira etc; a finalidade básica do projeto não é nenhuma dessas, e sim mostrar a função eletrônica básica nas diversas etapas.

Material

TR1 e TR4 — BC558 ou equivalentes; TR2 e TR3 — BC548 ou equivalentes; TR5 — BD135 ou equivalentes; R1 — 10 k >@?BADCFE;GHC=IJGLK;MON R2 — LDR, redondo, pequeno; R3 — 12k PQ;RTSVU-WXQZY3[]\ R4 — 3,3k PQ;RTSVU-WXQZY3[]\ R5 — 15k PQ;RTSVU-WXQZY3[]\ R6 e R9 — 5,6k PQ;RTSVU-WXQZY3[]\ R7e R8 —56k PQ;RTSVU-WXQZY3[]\ R10 — 100k PQ;RTSVU-WXQZY3[]\ R11 —220 P ^_0`baHc8dfeDg;h]i R12 — 2,2k j e;`TaVc-dXeZg3h]i Cl e C2 — 0,039 klnmpo;q 0V, poliéster metalizado; C3 — 1 rsntJuFvZwtDxFy x-zB|;y ~ z D| C4 — 0,1 np;8=Z-3 -JH-HF Z83n Fte — alto falante pequeno, 8ohms; CHI - interruptor simples; porta-pilhas, placa para CI, solda etc.

Montagem Nas figuras a seguir mostramos, á esquerda, o circuito esquemático do sensor de luz, onde R2 é o LDR (de preferência montado no fundo de um tubo opaco), no centro, em tamanho natural, a pequena plaqueta do circuito impresso para o fotosensor, vista pela face cobreada e, á direita, a disposição dos componentes na plaqueta, vista pela face não cobreada.


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Notamos nesse fotosensor que, o transistor TR1 (BC558) apresenta uma polarização de base projetada (e ajustada através de R1, R2 e R3) de tal modo que, na ausência de luz no LDR, ele permanece em corte (não conduz). Eis como verificar o bom funcionamento dessa etapa, visualizando seu funcionamento:

a — alimente a etapa com 6 VCC, com a polaridade correta; b — obstrua a entrada de luz no LDR; c — ligue um multiteste entre o coletor de TR1 (C) e o negativo da fonte de alimentação. O multiteste deve estar ajustado para medir tensões (usado como voltímetro), na escala de 10 ou 12 VCC. As pontas de prova (com garras jacarés) podem ser presas aos terminais de R5; d — ajuste o trim-pot ou potenciômetro R1 de modo que a tensão em R5 seja, aproximadamente, zero volts. Se necessário, ajuste também R3 e R4; e — com luz incidindo no LDR, a tensão em R5 deve ir para (aproximadamente) 6 VCC. Uma vez ajustado R1 (R3 e R4), ele pode ser substituído por resistores fixos de mesmo valor ôhmico. Se você pretende manter um ajuste de sensibilidade para várias intensidades de luz, deixe, definitivamente, um potenciômetro miniatura de 47k JF8

Ao ser atingido pela luz, a resistência do LDR (R2) diminui sensivelmente (por quê?), tornando negativa a base de TR1 e esse, por ser do tipo PNP, passa a conduzir, apresentando em C quase todo potencial elétrico da fonte.

Se você retirar o resistor R5 e substitui-lo por uma lampadinha de 6 V (um experimento aconselhável), ela deve acender ao incidir luz no LDR. No lugar da lampadinha pode ser colocado um LED (diodo emissor de luz) em série com um resistor de 330 ohms, ou um relê sensível para 6 V (mais dois procedimentos aconselháveis). Veja a ilustração dessas substituições:

Eis, até então, o esquema (e o funcionamento) de um dispositivo que liga ou desliga um outro ao comando da luz. Basta colocar esse outro componente (lâmpada, radinho, campainha CC etc) no lugar de R5, desde que sejam respeitadas a tensão e a corrente máxima permitida por TR1 (que pode ser outro p-n-p de maior potência que o BC558).

Supercondutores


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INTRODUÇÃO

O fenômeno da supercondutividade, descoberto pelo físico Kammerlingh Onnes, ao perceber que a resistividade do mercúrio desaparecia completamente em temperaturas baixas próximas de 4 K, significa que as cargas podem fluir através de um condutor sem haver perdas de calor. Ele estava pesquisando sobre os efeitos de temperaturas extremamente frias sobre as propriedades dos metais. Com essa descoberta, uma nova classe de condutores foi desenvolvida, os Supercondutores.

Os supercondutores são materiais que conduzem eletricidade com praticamente nenhuma resistência. Nada da energia elétrica é perdido quando ela flui através de um supercondutor. Em um condutor, uma corrente diminuiria rapidamente devido à resistência. Contudo, em um supercondutor, uma corrente continuaria a fluir para sempre, porque nenhuma resistência é oferecida à ela.

Onnes, continuou suas experiências com outros metais. Em cada caso, o material tinha de ser resfriado até quase o zero absoluto. Esse resfriamento era conseguido banhando o material em hélio líquido, o qual se liqüefaz a uma temperatura de 4K. Uma vez o material resfriado àquela temperatura , ele se tornava um supercondutor.

Substituindo os condutores normais por supercondutores e resfriando o circuito à temperatura necessária, seria possível gerar campos magnéticos muito mais intensos que os gerados por condutores normais, por causa da ausência de resistência e de geração de calor no circuito. Entretanto, esse não foi inicialmente o caso. Uma vez que o campo magnético atingia certa intensidade, o supercondutor perdia sua capacidade de conduzir sem resistência e se comportava como um condutor normal. Para vencer o problema do resfriamento, em 1969 a temperatura crítica (temperatura. em que ocorre a supercondutividade) foi dobrada novamente para 20K, temperatura na qual o hidrogênio se liqüefaz. Em 1987, descobriu-se que poderia-se usar nitrogênio líquido, a 77K, que era bem mais barato que o hélio e mais fácil de ser transportado.

As correntes induzidas num anel supercondutor, por exemplo, persistem por muitos anos sem diminuírem, mesmo não havendo nenhuma bateria alimentando o circuito.

Porém, o problema com o desenvolvimento tecnológico da supercondutividade tem sido sempre as baixas temperaturas necessárias para mantê-la. Em 1986, contudo, foi descoberto um novo material de cerâmica, que se torna supercondutor quando submetido a temperaturas da ordem de 160 K. Desta forma, a tecnologia da supercondutividade está em franca expansão, ou seja, sendo pesquisada e desenvolvida por cientistas que prevêem um curto espaço de tempo para que os supercondutores invadam nossas casas. Entre as metas a serem alcançadas estão o desenvolvimento de trens que levitam magneticamente, de computadores de alto porte e motores potentes do tamanho de uma noz.

O mecanismo da supercondutividade permaneceu inexplicado durante 60 anos após a descoberta do fenômeno. Então, John Bardeen supôs que os portadores de carga não são elétrons individuais, mas sim pares de elétrons. Esses pares comportam-se como partículas individuais, mas possuindo propriedades muito distintas das de um elétron sozinho.

Os elétrons em geral repelem-se mutuamente, tanto que alguns mecanismos especiais são necessários para induzi-los a formar um par. Podemos entender melhor o fenômeno por meio de exemplo semiclássico: um elétron move-se através da rede distorcendo-se ligeiramente e, deste modo, deixando em seu rastro uma pequena concentração de cargas positivas maior do que a das vizinhanças. Se um segundo elétron estiver próximo naquele exato momento, ele poderá ser atraído para esta região pela carga positiva, formando então, um par com o primeiro elétron. É de nosso conhecimento que os supercondutores recém, descobertos operam através de pares de Cooper mas, até 1988, não existe uma concordância universal sobre o mecanismo pelo qual estes pares são formados. Supercondutores

APLICAÇÕES

Os supercondutores possuem quatro vantagens sobre os condutores normais: - conduzem eletricidade sem perda de energia,

¨ não produzem calor, o que implica em redução expressiva dos circuitos elétricos, ¨ grande habilidade em gerar campos magnéticos poderosos,


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¨ podem ser usados para criar as junções de Josephson (são chaves supercondutoras, semelhantes a transistores, que comutam 100 vezes mais rápido que os mesmos).

SISTEMAS DE ENERGIA

A supercondutividade, economizaria muita energia e dinheiro em comparação com os sistemas convencionais. Podendo ser usada na : Geração de energia

Usando supercondutores, o gerador pode desenvolver um campo magnético muito mais forte do que o de um gerador convencional, permitindo ao gerador supercondutor ser menor fisicamente para a mesma produção de energia. Outra vantagem é que a resistência elétrica associada ao fluxo de eletricidade nos enrolamentos do motor do gerador convencional, não está presente. Esse aumento na eficiência poderia, no final, reduzir expressivamente os custos. Diminuí-se também a poluição química e térmica.

Armazenagem de energia

Não há atualmente nenhum método difundido e eficiente de armazenar grandes quantidades de eletricidade. Um sistema conhecido como SIMSAE (Sistema Magnético de Armazenagem de Energia) poderia prover algum dia um meio prático e eficiente de armazenar grandes quantidades de energia elétrica. Seriam grandes bobinas supercondutoras, a maioria das quais subterrâneas, seriam capazes de armazenar grandes quantidades de eletricidade por períodos de tempo muito grandes. Um SIMSAE seria conectado à rede de energia. Durante o período de baixa demanda, a eletricidade em excesso seria acumulada pelo SIMSAE e, nos períodos de demanda intensa, a eletricidade seria devolvida pelo mesmo. O SIMSAE é baseado na descoberta de Onnes, que tendo induzido uma corrente elétrica em um supercondutor na forma de um anel, resfriando-o em hélio liquido verificou, após transcorrido um ano que a corrente ainda estava fluindo, sem diminuição, no anel supercondutor.

ELETRÔNICA

A supercondutividade propiciará um importante avanço tecnológico para a indústria eletrônica. Juntando-se ao transistor e aos circuitos integrados, a supercondutividade poderia afetar drasticamente o campo da eletrônica.

Interligações

Os supercondutores podem mostrar-se um material ideal para interligações. O fato dos supercondutores conduzirem eletricidade sem resistência reduziria grandemente a dissipação de calor dos circuitos integrados e transistores. Os supercondutores poderiam acrescentar alguns benefícios adicionais, tais como a eliminação de interferência magnética em circuitos integrados por causa de sua capacidade de expelir campos magnéticos. O uso de interligações supercondutoras permitiria que os componentes fossem compactados em um grau maior, permitindo, assim, ainda mais componentes caberem num único circuito integrado, diminuindo grandemente os tempos de operação.

Os imãs supercondutores são usados em grandes aceleradores porque são a melhor maneira de gerar os poderosos campos magnéticos necessários. Atualmente, há um grande acelerador, chamado de Tevatron, que é um anel de 29,7 km de circunferência, contendo cerca de mil ímãs supercondutores separados. Os fios supercondutores que formam os eletroímãs são feitos de uma liga especial de nióbio-titânio, requerendo um sistema de resfriamento de hélio líquido.

Funcionamento análogo ao do Tevatron, são usados para acelerar objetos até altas velocidades, os quais serão então lançados para viajar a longas distâncias (terra ð espaço)

eparadores Magnéticos

Usados para a separação de minerais em forma de partículas, baseados em sua densidade e propriedades magnéticas.

Consiste em duas junções Josephson acopladas em um anel. Se um squid for colocado em um campo magnético, a voltagem associada com a corrente fluindo por ele muda de maneira característica, dependendo da intensidade do campo. O squid é o dispositivo mais sensível para medir campos magnéticos. Pode ser usado em prospeção, magnetoencefalogramas, magnetocardiogramas.

Carros e navios elétricos, motores elétricos supercondutores eficientes poderiam ser usados em uma nova classe de carros e navios.

As forças armadas estão pesquisando a respeito de canhões de trilhos magnéticos supercondutores que poderiam substituir projéteis explosivos, e motores supercondutores permitiriam aos submarinos operar mais


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silenciosamente, tornando a sua detecção mais difícil. Dispositivos eletrônicos supercondutores melhorariam os sensores, fazendo-o mais sensíveis e com maior alcance.


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Instalações Elétr icas ¡F¢£¤Z£¦¥§©¨ª¬«©®¯°ªO¤D§°±²¯³°¤D§´=ªµ±¶±ª§·«£°ªµ±¹¸

Introdu ção Dia a dia cresce o número de aparelhos eletro-eletrônicos instalados na rede elétrica domiciliar. Já não há mais uma divisão nítida entre o que é de eletrônica e o que é de eletricidade doméstica. Conhecer o básico das instalações elétricas é dever de todos os estudantes de Ciências, eletro-eletrônicos e famosos domingueiros. Nesse texto analisaremos uma instalação elétrica domiciliar típica, através de alguns conceitos de Eletricidade. Esses serão o ponto de partida para que possamos entender o funcionamento de alguns dispositivos nela utilizados.

3 fios ... A energia elétrica que recebemos da empresa de eletricidade, chega até nossa casa por meio de 3 fios. O porque do uso de três fios não é muito bem entendido por muitos instaladores. Eles, pela prática, simplesmente usam desses 3 fios para distribuírem as tensões típicas de 110 V e de 220 V entre os aparelhos domésticos comuns para que funcionem. De modo geral, as técnicas usadas nessas distribuições e instalações são simplesmente deploráveis.

Assim, nosso primeiro ponto importante, na análise de uma instalação elétrica domiciliar típica, é saber de que modo a eletricidade vem por estes três fios.

A energia elétrica que recebemos em nossa casa, numa linguagem simples, é transportada por ondulações da corrente elétrica que vai e vem pelos condutores, impulsionada pelo que denominamos de tensão elétrica.

Isso quer dizer que a tensão varia continuamente, mudando de polaridade 120 vezes por segundo, de modo que, 60 vezes, a cada segundo, ela empurra a corrente num sentido e 60 vezes, no mesmo segundo, ela puxa a corrente no sentido oposto, alternadamente. Daí a denominação corrente alternada.

Representando isso por um gráfico, teremos semiciclos positivos quando a corrente é empurrada e semiciclos negativos quando a corrente é puxada; algo como se ilustra a seguir.

Para que uma corrente elétrica possa circular por um aparelho que seja ligado a esses condutores de energia, ela precisa de um percurso completo (circuito fechado), ou seja, de ida e volta, o que significa que um só fio não pode alimentar nenhum aparelho.

Temos de usar dois fios, entre os quais a tensão elétrica ou diferença de potencial muda alternadamente de polaridade.


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Um desses fios, por motivo de segurança, a própria Companhia Elétrica coloca em contato mais íntimo possível com o solo (chão, terra). Dos dois fios da rede elétrica, aquele que não apresenta nenhuma diferença de potencial com o solo (porque está intimamente ligado com ele) é denominado subjetivamente de retorno, neutro ou terra. O outro, para diferenciação, é denominado de fase ou vivo.

Para um aparelho elétrico esses nomes são supérfluos, uma vez que os do is fios trabalham exatamente do mesmo modo , alternadamente.

Para o instalador e para os moradores da residência ‘que fio está ligando aonde’, é importante por motivos de segurança e não por motivos de funcionamento do aparelho. Isso fica patente quando ligamos um liquidificador na tomada de qualquer lado que se espete o plugue, ele funcionará!

Como aqueles que manuseiam os aparelhos estão permanentemente em contato com a terra (assim como um dos fios da rede), é prudente que as partes metálicas do aparelho que possam ser tocadas, sejam aquelas ligadas ao fio neutro ou terra. Desse modo, como não há diferença de potencial, não haverá riscos de choques elétricos (passagem de corrente elétrica pelo corpo e suas conseqüências) .

Erros comuns ... Um erro comum dos instaladores, por falta de sólidos conceitos, deriva desses nomes diferenciadores.

Quando se trata do fio vivo ou fio fase, eles lhe conferem certas importâncias elétricas (em relação ao circuito todo ), que simplesmente não existem!

Atribuem o conceito de pressão ou de tensão elétrica apenas para o fio fase e um papel secund ário de retorno para o fio terra.

Para eles é o fio fase que provoca a corrente. A falha está no conceito de tensão elétrica ou d.d.p. conceito aplicado a pelo menos dois condutores elétricos (rigorosamente, entre dois pontos distintos de um campo elétrico, em superfícies não eqüipotenciais). Não existe um condu tor com tensão elétrica pode existir um par de condu tores (dos quais um deles pode ser o fio terra) entre os quais estabelece-se uma tensão elétrica ou diferença de potencial. Um fio de alto po tencial elétrico é comumente citado como ‘um fio de alta tensão’ é um erro!

Outro erro comum dos instaladores é imaginar que, pelo fato da Companhia Elétrica aterrar um dos fios, a terra seja efetivamente utilizada como um dos fios de transporte de energia elétrica. Se isso fosse verdade, não seriam necessários 3 fios entrando em nossas residências; bastariam 2, o terceiro seria ligado a uma longa haste cobreada enfiada no chão.

Nomenclaturas ... Na figura, a seguir, mostramos um circuito elétrico simples e a nomenclatura associada.

Dos três fios que chegam até nossa casa, trazendo energia elétrica da empresa geradora e distribuidora, um deles é ligado em terra (na saída do gerador, no transformador da rua e em


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centenas de outros pontos ao longo de seu percurso). Os outros dois são isolados da terra. São os denominados fios vivos.

Entre qualquer fio vivo e o fio terra há uma diferença de potencial (110V - nominal). Entre os dois fios vivos também há uma diferença de potencial (220V - nominal); o dobro daquela que se estabelece entre um fio vivo e o fio terra. A fase da tensão alternada entre um fio vivo e o terra é oposta à fase que existe entre o outro fio vivo e o terra.

A figura a seguir ilustra as tensões elétricas e as correspondentes fases entre eles.

Modelos didáticos ...

A melhor ilustração possível, a nível de demonstração, para a rede elétrica domiciliar é feita com um transformador abaixador de tensão com center-tape (CT - terminal central) no secundário de baixa tensão.

Ligamos o primário do transformador na rede elétrica (110 ou 220V, conforme a rede). Nos três fios do secundário (num transformador para 6V + 6V, por exemplo) temos a exata imagem de nossa rede domiciliar.

Os três fios que chegam a nossas casas também vêm de um transformador abaixador de tensão (instalado em algum poste perto de sua casa!) são os três fios do secundário desse transformador ... com center-tape.

Usando nosso "transformadorzinho didático", basta ligar o fio central (center-tape) num condutor aterrado (um cano metálico enfiado na terra úmida).

Os fios laterais do secundário desse transformador passam a denominar-se fios vivos ou fios fases e o fio central será o fio neutro ou fio terra.

No exemplo desse transformador teremos:

6VAC entre qualquer fio vivo e o fio terra;

12VAC entre os dois fios vivos.

Entre os fios vivos há uma diferença de fase de 180 graus.


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Eis um outro modelo d idático.

A menos do tipo e valores da d.d.p. desenvolvida, podemos fazer uma analogia desse circuito domiciliar (ou do modelo do transformadorzinho) com o circuito de duas pilhas associadas. Confronte!

Nessa figura, 1,5V , 3,0V e 1,5V são tensões elétricas (diferenças de potenciais); +1,5V , 0V e -1,5V são potenciais elétricos em relação à Terra.

Como nos circuitos de pilhas não há aterramento (ainda que muitos deles usem dos chassis dos aparelhos como sendo um dos condutores), não comparece aqui os termos vivos e terra. Por motivos da história da eletrônica, um dos condutores pode ser denominado de +B e o outro de chassis, massa ou terra.


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Curtos e fusíveis ... Evidentemente, antes do primeiro acesso que temos a esses fios condutores de energia elétrica, a empresa coloca um medidor de energia elétrica ou de consumo de energia. O "relógio da luz", como é popularmente conhecido, mede os quilowatts-horas consumidos que correspondem à quantidade de energia fornecida. Em média (presumo), as Companhias Distribuidoras de Energia Elétrica (CPFL etc.) cobram R$ 0,15 para cada quilowatt-hora consumido. Apreciaria receber dos amigos os valores cobrados por quilowatt-hora em suas regiões.

Em outra oportunidade abordaremos como calcular esses consumos domiciliares.

O medidor só funciona quando a corrente circula, ou seja, quando algum aparelho é ligado e exige ,com isso, a circulação de uma corrente que lhe forneça energia.

Observe que, se houver alguma deficiência na instalação de energia que provoque um "escape" de corrente, por exemplo, um fio desencapado encostado num ferro da estrutura da casa, conforme exemplo da figura a seguir, a corrente circulante acionará o medidor que registrará um consumo indevido.

De uma maneira mais simples, podemos dizer que se trata de um "vazamento" de energia pelo qual o usuário paga sem saber, pois toda a corrente que passa pelo "relógio" é registrada, determinando o consumo de energia. Isso é algo análogo ao uso de uma mangueira d'água para regar uma planta (e não para lavar a calçada, como estupidamente se faz), mas que apresenta algum furo em sua extensão. O "relógio da água" marcará o consumo total: água que vaza pelo furo + água para a planta.

Após o relógio, encontramos um conjunto de dispositivos de proteção que podem ser fusíveis comuns ou disjuntores.

Os fusíveis comuns são ligas metálicas que "queimam" (fundem-se) quando a corrente ultrapassa um valor considerado perigoso para a instalação.

A intensidade máxima da corrente que pode passar por um fio é determinada basicamente pelo material de que ele é feito e por sua espessura.

Nas ligações com fios de cobre com determinada espessura, se a corrente ultrapassar um certo valor, a quantidade de calor produzida pode ser exagerada, a ponto de afetar a integridade da capa plástica do fio.

Se essa capa derreter, com a perda do isolamento, o perigo se torna maior, pois pode ocorrer um curto-circuito. Assim, a função do fusível é queimar, interrompendo assim a circulação da corrente, caso sua intensidade se tome perigosa a ponto de colocar em risco a integridade da instalação. Se o fusível não queimar, por ocasião de um surto extra de corrente, a instalação e todos os aparelhos (em funcionamento) ligados a ela serão percorridos por esse surto de corrente ... alguns poderão "pifar"!

Nota: "curto-circuito" não é um circuito "curto"; não é um trajeto físico de pequena extensão ... é um percurso de menor resistência elétrica para a corrente.


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Disjuntores Os disjuntores têm a mesma finalidade que os fusíveis comuns, se bem que funcionem de modo um pouco diferente. Os disjuntores têm a aparência mostrada a seguir.

Consistem, basicamente, numa chave que desliga automaticamente quando a intensidade da corrente alcança o valor para o qual é projetado. Vale a pena desmontar um deles para uma análise criteriosa de seu funcionamento.

A vantagem do disjuntor em relação ao fusível é que o disjuntor simplesmente "desarma", interrompendo a corrente quando ela se torna perigosa, enquanto que o de fio fusível queima. Uma vez que a causa do excesso de corrente tenha sido eliminada, o fusível precisa ser trocado por outro novo, enquanto o disjuntor é simplesmente rearmado.

Fusíveis em d.c. Nos circuitos DC, alimentados por pilhas ou baterias os fusíveis também têm sua atuação como protetores. Nos automóveis, por exemplo, há um bom conjunto de fusíveis protegendo as mais variadas partes. Os rádios e toca-fitas também devem ser protegidos mediante fusíveis. Em muitos desses rádios, o circuito interno não tem qualquer contato com a carcaça do aparelho, por isso, além dos fios que vão aos alto-falantes, aparecem em destaque os fios de alimentação: vermelho (+) e preto (-). O vermelho deve ser ligado ao positivo da bateria (regra geral para os veículos modernos) e o preto ao chassis do veículo.

E o fusível onde deve ser posto?

No fio vermelho? No fio preto?

Faça essa pergunta a 100 instaladores de rádio e equipamentos de som em carros. A maioria dirá: É no fio vermelho, no positivo, no que vai para a bateria.

Sem dúvida, certos instaladores de rádios e aparelhos de som em automóveis, insistem na instalação dos fusíveis no fio positivo (fio vermelho que vai para o pólo positivo da bateria).

Eles alegam que a alta corrente extra entra por ali e queima o fusível antes de entrar no rádio!

Realmente, isso é uma falha grave no conceito. A corrente que passa pelo fusível também passa pelo rádio ... sempre! A corrente que passa pelo fio positivo também passa, ao mesmo tempo e com a mesma intensidade pelo fio negativo ... sempre! É indiferente colocar o fusível no fio preto ou no vermelho.

A principal causa da queima de fusíveis ou desarme de disjuntores numa instalação elétrica é o curto-circuito.


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Curto circuito = caminho d e menor resistência elétrica

Ocorre curto-circuito quando a energia elétrica encontra um caminho de retorno com menor resistência que aquele que encontraria passando normalmente por um aparelho. Esse novo caminho, não necessariamente é o mais curto, em termos de distância. Ele o mais curto, em termos de menor resistência.

Se um fio encostar em outro (fase e neutro, por exemplo) não havendo um aparelho para entregar a energia, mas sim um percurso de muito baixa resistência, a corrente se torna intensa a ponto de colocar em perigo a instalação. Ocorreu o que denominamos de curto-circuito, ou seja, o "circuito" (percurso) não passa pelo aparelho alimentado (grande resistência), mas vai diretamente ao retorno (quase nenhuma resistência).

Nas instalações que utilizam fusíveis existem também chaves que permitem desligar os diversos setores da instalação, para o caso de necessidade de manutenção, reparos ou alterações. Observe que é desse local que a distribuição de energia pela residência é feita.

Distribu ição da energia O normal numa residência é termos três circuitos de distribuição.

Estes circuitos podem fornecer tensões de 110 V e 220 V ou somente uma delas, conforme a instalação.

Partindo da chave principal (*) onde chegam os três fios, observamos que a partir deles podemos obter duas tensões.

Cada fio vivo extremo está ao potencial elétrico de 110 V e têm como terra comum o fio do meio, ou seja, ele é o neutro para os dois fios vivos extremos.


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Um osciloscópio de traço duplo devidamente instalado para colher informações de tensões entre esses fios denunciará que há uma defasagem de 180 graus entre os dois pares vivo-terra.

A distribuição de energia elétrica pela residência deve ser feita de modo a equilibrar as correntes que passam pelos dois fusíveis.

(*) NOTA: Em instalações já um tanto antigas, é comum encontrarmos uma chave geral, de faca, com 3 facas. Elas têm incorporados os suportes (soquetes) para 3 fusíveis. Cada fusível da lateral protege um fio vivo. O fusível central não protege nada, ele não está ligado em nada. O suporte central é apenas "um armário" para um fusível de reserva. Se durante a noite um dos fusíveis laterais queima, com uma lanterna o localizamos e o substituímos pelo fusível do meio o reserva.

Se você retirar esse fusível central verá que há uma arruela de latão (e um parafuso central) curto-circuitando essa entrada de terra. Essa arruela, com as habituais trepidações do prédio, pode desfazer a ligação do terra ... e algum aparelho vai queimar lá dentro da casa! Vale a pena, periodicamente, desligar a chave geral, retirar esse parafuso central do suporte do meio da chave, retirar a arruela e lixá-la bem. Recoloque-a no lugar e aperte bem esse parafuso central. Enrosque, nesse suporte-"armário" o fusível de reserva.

As duas fases ou fios vivos irão para os dispositivos que requeiram 220V (chuveiro, torneira elétrica etc.). Deve haver um par de disjuntores ou uma chave especial com fusíveis para esse circuito.

Uma das fases e o neutro são usados para alimentar as tomadas de energia distribuídas pela casa. Neste circuito, pode-se fazer uma segunda separação nas casas tipo sobrado, por exemplo, para as tomadas do andar de cima e para as tomadas do térreo.

A outra fase e o neutro servem para alimentar as lâmpadas. Aqui também podemos fazer a separação entre o circuito do andar de cima e o térreo, no caso de um sobrado.

Veja que essas separações são interessantes não só em termos de distribuição das correntes como também para a manutenção. Podemos desligar a chave que alimenta as tomadas para trabalhar numa delas, sem precisar desligar a luz, que vai iluminar o local que esta sendo trabalhado.

Os circuitos individuais dos dispositivos alimentados vêm a seguir.

Interruptores Os interruptores são ligados em série com as lâmpadas ou seja, a corrente que passa pelo interruptor é a mesma que passa pela lâmpada.


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Circuito série do interruptor e lâmpada

Observe que basta interromper a corrente em apenas um fio, pois isso interrompe seu percurso, impedindo sua circulação: a lâmpada não acende. Em princípio, podemos interromper a corrente no fio vivo ou no fio neutro, mas é uma boa prática do instalador identificar o pólo vivo e nele colocar o interruptor.

Esse procedimento é interessante porque, se tentarmos trocar uma lâmpada tendo apenas o interruptor desligado e esse se achar no neutro, um toque em qualquer parte metálica do soquete ou do circuito não impede que levemos um choque, pois passamos a formar o circuito de terra para a corrente.

Ligação inadequada do interruptor

Ligação recomendada para o interruptor

Se o fio interrompido for o vivo, nas partes metálicas do soquete da lâmpada teremos apenas neutro, ou seja, elementos com o mesmo potencial de nosso corpo e que portanto, não podem dar choque mesmo que toquemos neles.


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Evidentemente, isso não se aplica a uma lâmpada alimentada por 220 V, onde temos os dois fios vivos.

Outros dispositivos são as tomadas de energia que alimentam diversos tipos de dispositivos.

Essas são conectadas nos diversos pontos da instalação, conforme as necessidades. Podemos ter numa instalação tomadas especiais de 220 V conectadas aos pontos em que existe essa tensão.

Termos usados TERRA, NEUTRO, MASSA E FASE

Em diversos pontos deste artigo, onde analisamos a estrutura básica de uma instalação elétrica domiciliar, falamos nos quatro termos acima, mostrando aos leitores que existem "estados" ou níveis de potenciais elétricos que caracterizam de forma bem distinta os fios ou os pontos de uma instalação em que os dispositivos externos são ligados.

As definições com as explicações mais detalhadas dos termos usados são dadas a seguir:

TERRA - O solo terrestre é um semicondutor de eletricidade. Em certas situações, qualquer corpo que esteja em conexão com a terra terá o potencial desta, ou seja, não haverá diferença de potencial entre eles (corpo e terra), de modo que, não haverá circulação de corrente de um para o outro.

Se um corpo estiver carregado ou sob um potencial diferente da terra, ao ser colocado em contato com ela, ele se descarrega. Em outras palavras, adquire o mesmo potencial elétrico que a Terra que, por convenção é de 0 volts. Isso esclarece porque o usuário da rede elétrica, ao tocar pontos da rede que estão interligados com a terra, não toma choque.

Isso significa que a ligação de um objeto à terra é a garantia de que ele não vai causar choque se for tocado. A barra de terra de uma instalação elétrica é para garantir que, em caso de interrupção dos fios ou problemas na instalação teremos um dos condutores ligado à terra.

NEUTRO - Um dos condutores de energia da empresa distribuidora é ligado à terra.

No local onde a energia elétrica é gerada, ao longo das torres de distribuição, nas subestações e nos transformadores de rua há uma ligação desse condutor até o solo. Esse condutor é denominado de neutro.

Na maioria das instalações ele está no mesmo potencial da terra (caso em que ambos podem ser confundidos), mas existem casos em que um defeito na instalação, como por exemplo, uma interrupção de um fio, torna o potencial do neutro diferente do potencial do terra, caso em que choques podem ocorrer. Quando o neutro e o terra apresentam potenciais elétricos diferentes dissemos que houve um "mau aterramento".

MASSA - Se o neutro ou o terra for ligado a um chassi de um aparelho de modo que esse chassi de metal sirva como um condutor de corrente, esse chassi será chamado de massa. Na maioria dos casos, a MASSA de um aparelho coincide com o terra e o neutro, o que significa que se for tocada nada acontece em termos de choque. No entanto, existem aparelhos em que a MASSA não é obrigatoriamente terra ou neutro. Existem televisores, por exemplo, em que um dos fios da rede de energia é ligado ao chassi e ele não é necessariamente o neutro. Desta forma, a MASSA desses televisores pode estar com um potencial de 110 V ou 220 V em relação à Terra, podendo assim causar choques em quem nele tocar.

FASE - O condutor isolado da Terra e que apresenta potencial elétrico em relação a ela é denominado de fio fase. Evidentemente, se com os pés no chão, tocarmos nesse condutor, tomaremos choque.

Projeto Inovador: Se liga na Física, mas sem ter um...

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