EXPERIMENTOS DIDÁTICOS

Na intervenção didática, durante a repetição das fases 2, 3 e 4 do Ciclo da Experiência foram utilizados 04 (quatro) experimentos simples, envolvendo propriedades elétricas, térmicas, e ópticas, que são descritos a seguir. A partir do que foi discutido na fundamentação teórica, procurou-se estabelecer quais os aspectos estruturais relevantes à análise de cada experimento, buscando relacioná-los à propriedade em questão.

Devido à sua natureza, os experimentos escolhidos para a intervenção envolvem diretamente os aspectos macroscópicos relacionados às propriedades estudadas. Não obstante, sua análise e discussão durante as etapas já mencionadas foram conduzidas no sentido de listar e discutir os aspectos estruturais relevantes ao estudo das propriedades abordadas. Visando embasar o estudo das propriedades dos materiais, a análise destes aspectos estruturais demanda o emprego de modelos microscópicos, os quais foram trabalhados durante as discussões mediadas pelo pesquisador.

A análise destes experimentos foi apenas qualitativa, uma vez o principal objetivo da sua utilização foi provocar as discussões a respeito da relação entre propriedades e aspectos estruturais.

3.2.1 Condutividade elétrica em diferentes materiais e sua relação com a temperatura

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Material

A

Fig.05: Circuito para estudo das condutividades elétricas de diversos materiais.

A figura 5 mostra um esquema desta montagem experimental, no qual amostras de diferentes materiais são incorporadas a um circuito elétrico simples, composto por uma bateria, fios de ligação e um amperímetro digital. A amostra é posta de tal forma a ser percorrida por uma corrente elétrica, que será medida pelo amperímetro.

Num primeiro momento, as medidas das intensidades de corrente elétrica para os diversos materiais são usadas para comparar qualitativamente as diferentes condutividades elétricas envolvidas, uma vez que estas são grandezas diretamente proporcionais. Para discutir a condutividade elétrica nos diversos materiais é recomendado fazer referência aos tipos de ligações químicas presentes no material, à teoria das bandas e aos tipos de arranjos atômicos, uma vez que estes são os fatores que determinam a condutividade elétrica em materiais sólidos (MILLMAN & HALKIAS, 1981).

Em seguida é possível discutir ainda o que ocorre com as condutividades elétricas dos materiais quando as amostras são aquecidas. O efeito de um aumento de temperatura na condutividade elétrica de um material está relacionado à sua estrutura. Nos metais, possuidores de elétrons livres, um aumento de sua temperatura em geral diminui sua condutividade elétrica: o aumento na vibração da estrutura cristalina dificulta o deslocamento dos elétrons livres. Nos materiais isolantes e semicondutores, o aumento de temperatura resulta numa maior energia disponível para promover os elétrons da banda de valência à banda de condução, o que causa um aumento em sua condutividade elétrica (CALLISTER, 2002). Estes aspectos estruturais são relevantes e devem ser discutidos com os alunos.

3.2.2 Lâmina Bimetálica

Fig.06: Esquema representativo da lâmina bimetálica, utilizada para estudar a dilatação de diferentes materiais.

O experimento consiste em aquecer uma lâmina bimetálica (bronze e alumínio) similar à mostrada na figura 6, percebendo a curvatura decorrente da dilatação desigual dos dois metais. A partir deste experimento simples é possível discutir a dilatação em diferentes materiais, mostrando que mesmo que estes possuam características estruturais semelhantes (dois sólidos cristalinos, formados por ligações metálicas, neste caso), apresentam comportamentos distintos. Estas peculiaridades no comportamento dos diferentes materiais devem ser relacionadas aos aspectos estruturais relevantes.

O coeficiente de expansão térmica dos materiais está relacionado à curva de energia potencial das ligações químicas entre seus átomos; o acréscimo da temperatura promove um aumento da amplitude das vibrações térmicas. Devido à assimetria da curva de energia potencial, o aumento da amplitude de oscilação térmica é acompanhado por um deslocamento da distância interatômica média, (CALLISTER, 2002). A energia potencial das ligações e o arranjo atômico são aspectos estruturais relevantes à expansão térmica e podem ser abordados numa discussão acerca desta propriedade.

Questões de ordem prática como a utilização do concreto armado em engenharia civil e a dilatação de placas de concreto em calçadas podem ser igualmente incorporadas a esta discussão. É sempre importante estender a discussão em sala de aula a situações presentes no cotidiano dos alunos, contribuindo para que eles possam aumentar a faixa de conveniência dos construtos envolvidos nestes debates.

3.2.3 Condutividade térmica em diferentes materiais

Fig.07: Aparato experimental para estudo das condutividades térmicas. Fonte: Scienco – Kit para experimentos

Neste experimento, tachinhas metálicas são coladas com cera quente nas extremidades de três hastes de diferentes materiais (bronze, alumínio e aço). As hastes estão conectadas a um bloco central como pode ser verificado na figura 7. Quando este bloco central é aquecido, observa- se que as tachinhas não se desprendem simultaneamente, por causa das diferentes condutividades térmicas apresentadas pelos metais. As hastes metálicas serão substituídas por hastes de materiais diversos, como cerâmicos ou vidro.

Mais uma vez a justificativa para tal fenômeno encontra embasamento no estudo estrutural destes materiais. Materiais que apresentam arranjos atômicos cristalinos e elétrons livres são usualmente ótimos condutores térmicos, de modo que a ausência destas características faz com que o material apresente uma baixa condutividade térmica (CALLISTER, 2002).

3.2.4 Refração da luz – Índices de refração de diferentes materiais

Fig.08: Experimento utilizado para discutir a propagação da luz em diferentes meios

Neste experimento, o mergulho de um objeto em água causa a ilusão de que ele está “quebrado”. Este efeito é causado pela diferença entre os índices de refração da água e do ar. As discussões a respeito da velocidade da luz nos diferentes materiais e da questão da transparência dos corpos devem orientadas de forma a envolver a distribuição eletrônica dos átomos constituintes do material, bem como seus arranjos espaciais, aspectos estruturais dos materiais envolvidos.

Outra possibilidade é trabalhar com um objeto que tenha índice de refração parecido com o do líquido no qual ele é mergulhado (por exemplo, vidro e tetracloroetileno). Neste exemplo, mergulhando um bastão de vidro em um recipiente contendo tetracloroetileno, o bastão tornar-se-á quase indistinguível do líquido, fato justificado pela proximidade entre seus índices de refração (RAMALHO et al., 2003).

A discussão criada a partir deste experimento pode ser direcionada para a transparência de alguns materiais, em oposição à opacidade de outros. Comparando blocos de diferentes materiais, alguns opacos e outros transparentes, é possível argüir acerca da relação entre os aspectos estruturais e esta propriedade ótica.