Pilha de Volta
Maria Helena
1. IntroduçãoNo circuito, a pilha desempenha um papel muito importante. É ela a responsável pela movimentação das cargas elétricas no interior dos fios e no interior das soluções, permitindo uma circulação ininterrupta de cargas elétricas, obtendo-se o que chamamos de circuito fechado.
2. Localizando a atividade
Dentro do contexto do meu planejamento a pilha corresponde à última atividade. É ela que dará uma visão geral da movimentação de cargas elétricas no circuito, permitindo assim um "desfecho" sobre o que é um circuito fechado e o por quê da movimentação de cargas nesse circuito.
3. Relação com o conhecimento anterior do aluno
Embora nas atividades anteriores os alunos tenham tido a oportunidade de entrar em contato com a estrutura da matéria, diferenciar condutores e isolantes, explicar o fato de a lâmpada acender e ter entrado em contato com a idéia de circuito aberto e fechado, é com a realização da atividade da pilha que estes conceitos serão finalmente lapidados.
4. Objetivo da atividade
Com a lapidação dos conceitos anteriores, que o aluno tenha agora a oportunidade de construir um modelo mais completo sobre corrente elétrica, sendo capaz de defini-la.
5. Materiais necessários
A pilha escolhida por mim foi a pilha denominada "pilha de Volta". Para a montagem desta pilha os materiais necessários são:
Placa de zinco Placa de cobre Sulfato de cobre Sulfato de zinco Água
Papel higiênico (ou lenço de papel) Fio de cobre
Lâmpada de lanterna Copos de plástico
6. Descrevendo a atividade
O sulfato de cobre é dissolvido na água contida em um dos copos de plástico formando a solução de sulfato de cobre. O mesmo deve acontecer com o sulfato de zinco. Em seguida, algumas tiras de papel higiênico, já cortadas de acordo com o tamanho das placas de cobre e zinco, são mergulhadas nas soluções.Um "sanduíche" é montado de acordo com a seqüência :
Placa de cobre + papel higiênico molhado na solução de sulfato de cobre + papel higiênico mergulhado na solução de sulfato de zinco + placa de zinco.
A extremidade do fio condutor é conectada (encostada e pressionada) à parte inferior da placa de cobre e a outra é conectada (enrolada) na rosca da lâmpada. Quando a base da lâmpada é pressionada contra a placa de zinco, a lâmpada acende.
Observações:
Os alunos observam que a lâmpada acende momentaneamente e que a superfície da placa de cobre em contato com a solução de sulfato de cobre ficará recoberta por uma substância escura, e que o mesmo acontecerá na placa de zinco, mas com menor intensidade. Para esta observação é interessante que a atividade seja feita em grupo e as ligações repetidas algumas vezes.
7. Problematização
Estes fatos devem ser usados pelo professor para levar a uma problematização - o aluno deverá ser levado a questionar o porquê do aparecimento destas substâncias escuras. Esta problematização tem como finalidade motivar o aluno a ir em busca de respostas e, portanto, do conhecimento sobre a composição dos materiais e a circulação da corrente elétrica.
É claro que o aluno não chegará sozinho à resposta. O papel do professor será agora o de orientador, levando o aluno a construir a resposta.
As placas ficando escurecidas mostram que aí ocorreram reações químicas. Que relação tem o aparecimento destas substâncias nas placas com o fato de a lâmpada acender?
A resposta a essa pergunta está ligada às reações químicas que ocorrem entre as placas e suas respectivas soluções. A próxima etapa da atividade é entender como essas reações ocorrem.
Para que ocorra este entendimento vamos montar um quebra-cabeça no qual há peças com o símbolo (Zn+2), (Cu+2), (ZnSO4),(CuSO4),(SO4-2) e (-).
A intenção é montar a placa de cobre embebida na solução - com íons Cu+2 e elétrons livres (-). O aluno é informado de que a placa deve estar eletricamente neutra. O aluno deverá montá-la segundo esta informação. O mesmo deverá ser repetido com a placa de zinco.Um pedaço de papel pode ser usado para representar as placas.
Uma tira de papel deve se preenchida com átomos de cobre e elétrons representando o fio e respeitando a regra de que deve estar eletricamente neutro para ser ligado à placa no momento oportuno.
Uma superfície porosa representada por uma tira de papel contendo pequenos furos deve ser colocada entre as duas placas e estas devem ser mergulhadas em suas respectivas soluções.
Agora o aluno deve ser informado que o sulfato de cobre e o sulfato de zinco quando colocados na água se dissociam em íons dos átomos de cobre e zinco e o íon SO4-2. A figura dá somente uma amostra do que deve ser feito. Quando o aluno estiver montando deverá representar mais íons de cobre, zinco e sulfato. Agora pensando na movimentação desses íons nas soluções e nas forças de atração, verificar quem atrai quem e o que acontece.
O íon de sulfato, ao se movimentar próximo à placa de zinco, captura íons de zinco formando o sulfato de zinco que devido à presença da água se dissocia. Na placa, ficam os elétrons. À medida que átomos de zinco deixam a placa, esta vai diminuindo e os elétrons vão se acumulando. Íons de zinco passando perto da placa também são atraídos pelos elétrons, capturando-os formando o zinco que vai se depositando na placa e que a deixa escura. Mas, a oxidação é mais rápida que o depósito de zinco na placa. O
aluno deverá fazer esta movimentação usando as peças e notar que à medida que átomos de zinco deixam a placa elétrons se acumulam na placa.
O íon de sulfato, ao se movimentar próximo à placa de cobre, também captura íons de cobre formando o sulfato de cobre, que devido à presença da água também se dissocia. Assim, a placa de cobre também oxida enquanto que íons de cobre capturam elétrons formando o cobre, que vai se depositando na placa e que também a deixa escura. A diferença é que o depósito agora é muito mais rápido que a oxidação e a placa fica muito mais escura por este motivo. O acúmulo de elétrons na placa de cobre é inferior ao da placa de zinco. Esta movimentação deverá ser feita pelo aluno, notando que o acúmulo de elétrons nas placas é diferente e maior na placa de zinco. Pensando que entre os elétrons há forças de repulsão, este acúmulo tende a estabelecer uma tensão entre eles, tensão esta devida à "vontade" que sentem de se afastarem. Esta tensão é bem maior na placa de zinco, e dizemos que há uma tensão maior na placa de zinco que na placa de cobre. Esta diferença de tensão também é conhecida como diferença de potencial (ddp).
Quando o fio é ligado às placas, os elétrons, que estão sob uma tensão maior na placa de zinco, querem sair e exercem uma força de repulsão, afastando os elétrons que estão localizados nas extremidades do fio ligado a ela obtendo espaço para nele entrar. Este elétron do fio devido a esta força aplicada sobre ele é acelerado na direção e sentido desta força e forçado a se deslocar. Mas, ao ser deslocado, este elétron se aproximou de um outro elétron do fio o que aumenta a força de repulsão entre eles e ocorre o mesmo processo anterior. Este processo ocorre entre todos os elétrons do fio ao mesmo tempo e contra a vontade esses elétrons embora relutem seguindo várias direções aleatórias, são obrigados a seguirem uma direção preferencial se aproximando da placa de cobre e para ela são "empurrados". Chegando à placa de cobre esses elétrons são capturados pelos átomos de cobre da solução, e mais cobre é "fabricado".
Agora você deve notar que a solução de sulfato de zinco está apresentando mais íons positivos do que negativos e dizemos que a solução está saturada, o mesmo acontecendo com a solução de sulfato de cobre que está saturada com íons negativos de sulfato. As reações tendem a não mais acontecerem. Neste momento os íons de sulfato sendo atraídos pelos íons de sulfato de zinco atravessam a superfície porosa e novamente as reações voltam a acontecer. A pilha então provoca a movimentação de cargas elétricas tanto no fio como na parte interna da pilha. Ao deslocar essas cargas, a pilha realiza um trabalho. O trabalho interno é realizado por uma força, chamada força eletromotriz, e o trabalho de deslocamento dos elétrons através do fio é realizado por uma força, chamada força elétrica.
Todo o movimento de cargas neste circuito fechado deverá ser "visualizado" no momento em que o aluno deslocar as peças.
Planejamento Eletromagnetismo — 2007
Maria Helena
Para elaborar o planejamento de 2007, acho que seria importante fazer uma ligação entre o conteúdo de Eletricidade e a Óptica. No planejamento anterior senti falta desta ligação. Tive a impressão de que após o conteúdo de Eletricidade, esse capítulo se encerrou e iniciamos os estudo da Óptica. Assim, estou procurando esta ligação.O movimento dos elétrons no fio quando ligado a uma fonte surge devido ao aparecimento de uma força elétrica e conseqüentemente de um campo elétrico no interior do fio. Devido ao movimento dos elétrons, o campo elétrico varia dando origem a um campo magnético perpendicular a ele.Por sua vez a variação deste campo magnético dá origem a um campo elétrico perpendicular a ele e assim por diante.Portanto num circuito elétrico a existência de um está ligada à existência do outro e que desta interdependência podemos dizer que surge um campo eletromagnético.O que temos então se propagando através do fio é esta alternância entre campo elétrico e campo magnético que se configura então numa onda eletromagnética.Se estiver correto o meu raciocínio introduziria agora o estudo das ondas e do espectro eletromagnético o que nos levaria à conclusão de que o filamento da lâmpada está emitindo uma radiação visível aos nossos olhos.A partir de agora introduziria o estudo da óptica.
Este é em linhas gerais o trabalho que gostaria de desenvolver com os meus alunos.
Para desenvolver este planejamento que conteúdos são necessários? Acredito que sejam estes:
- Corrente elétrica - Campo elétrico - Campo magnético - Indução Eletromagnética
- Campo eletromagnético e espectro eletromagnético - Ondas
- Óptica
No momento vou detalhar o 1º bimestre.
Obs. Links para as atividades estão disponibilizados ao longo do texto e ao final da página.
Atividade 01: Circuito Elétrico Simples
Com os materiais lâmpadas, fios de cobre com conectores tipo jacaré em suas extremidades, e pilha, montar um circuito elétrico no qual sejam colocadas duas lâmpadas uma em seguida da outra.
Objetivo específico
Dizer que “algo” deve chegar da pilha até o filamento da lâmpada para que ela acenda.
Objetivos gerais
Levar o aluno a refletir sobre o caminho seguido por este algo que sai da pilha e que chega até o filamento da lâmpada. Como a pilha tem dois polos um denominado positivo e o outro negativo o aluno acha que “algo” positivo saí do polo positivo e que “algo” negativo sai do polo negativo e se encontram no filamento acendendo a lâmpada.
Realizando esta tarefa espero que o aluno perceba que o raciocínio acima não é possível e que este “algo” sai de um dos polos da pilha e circula chegando ao outro polo.
Num segundo momento, no circuito elétrico já montado, fazer com que as duas lâmpadas acendam e com setas mostrar o caminho através do qual este “algo” chega da pilha até os filamentos das lâmpadas permitindo que elas acendam. Com isso, espero que sejam capazes de dizer que o sentido da corrente elétrica no circuito em questão é de um dos polos da pilha para o outro.
Talvez sinta a necessidade de observar uma lâmpada por dentro, a qual o professor já deverá ter em mãos. Nesta observação espero que o aluno note principalmente que a lâmpada tem um filamento os quais têm os seus terminais um na rosca e o outro na base da lâmpada e que para a lâmpada fazer parte do circuito esses terminais devem estar em contato com as extremidades dos fios de cobre.
Atividade 2: Circuito fechado, materiais condutores e materiais isolante Introduzir no circuito um interruptor e observar o que acontece no circuito quando ele é ligado e desligado. Em seguida mantendo o interruptor ligado, retirar uma lâmpada e observar o que acontece, substituindo-a em seguida por vários materiais como madeira, plástico, prego, borracha, vidro, barbante, etc...
Objetivos específicos
- Conceituar circuitos elétricos abertos e fechados. - Diferenciar materiais condutores e isolantes.
- Explicar qual é o papel dos interruptores nos circuitos elétricos. Objetivo geral
Levar o aluno a observar que a lâmpada só se mantém acesa no circuito quando o interruptor está ligado. Ao ser desligado a lâmpada apaga. Espero que o aluno levante a hipótese de que ao desligar o interruptor ele na verdade está interrompendo o caminho através do qual “algo” circula impedindo que a lâmpada acenda.
No circuito com duas lâmpadas, ao retirar uma delas com o interruptor ligado, a outra lâmpada apaga, reforçando a idéia de que quando o circuito se abre “algo” é impedindo de circular.
Ao colocar no lugar desta lâmpada outros materiais o circuito é fechado novamente e “algo” deveria voltar a circular, mas o aluno observará que para este “algo” circular, depende do material.
Estes materiais serão denominados, para diferenciá-los, condutores e isolantes. Espero após estas observações que cheguemos à conclusão de que o circuito que permite a circulação desse “algo” deve ser constituído de materiais condutores, e ininterrupto e que seja fechado.
Atividade 3: modelo atômico
Construção de um modelo para a estrutura de um material condutor de eletricidade.
Objetivos específicos
- Identificar as cargas elétricas existentes no átomo, onde estão localizadas e como se comportam.
- Conceituar íon e ionização.
- Conceituar elétrons livres nos materiais condutores. - Conceituar movimento aleatório.
Objetivos gerais
Esta atividade tem inicialmente como objetivo permitir a visualização de um modelo sobre o átomo, as partículas fundamentais que dele fazem parte, suas respectivas cargas, como elas interagem (atração e repulsão), suas localizações e a movimentação dos elétrons ao redor do núcleo. Em seguida estudar o átomo de cobre, verificando o número de prótons e o número de elétrons. Comparando esses números perceber que o átomo está neutro, mas que ele pode ganhar ou perder elétrons.
Continuando, juntamente com os alunos, pretendo construir um modelo que explique a estrutura do fio de cobre quando o interruptor estiver aberto.
Os átomos de cobre ionizados poderão ser representados por bolinhas de isopor que serão fixados numa base de isopor ou madeira e os elétrons por bolinas menores. No nosso modelo estamos usando cola ou outro adesivo para mantemos os átomos de cobre nos seus lugares. Irei propor algumas questões:
No fio de cobre o que mantém os átomos de cobre “ligados” um ao outro impedindo que o fio se “desmanche”?
- O objetivo aqui é levar o aluno a perceber que esta ligação é feita através das forças elétricas entre as cargas elétricas.
Mas se cargas elétricas se repelem porque os átomos de cobre não “fogem” uns dos outros “desmanchando” o fio?
- O objetivo aqui é levar o aluno usando setas para representar as forças que atuam entre os íons perceber que para um átomo rodeado de outros íons, a resultante é nula e assim ali permanece.
E os íons que estão nas extremidades, as forças de interação não têm resultantes nulas, então, por que eles não vão “embora”?
- O objetivo aqui é levar o aluno a perceber que os elétrons que deixaram os átomos de cobre formam uma “nuvem” que envolve os átomos de cobre impedindo que eles deixem o fio.
Por que os elétrons formam essa “nuvem” permanecendo no fio e fazendo parte da estrutura do material que forma o fio de cobre?
- O objetivo aqui é levar o aluno perceber que os elétrons têm cargas elétricas negativas e ficam “passeando” aleatoriamente entre os átomos de cobre, fazendo parte ora de um ora de outro, ou seja, pertencem a todos e a nenhum dos átomos ao mesmo tempo. E por este motivo os denominamos elétrons “livres”. Neste modelo representativo (com isopor) que construímos, os elétrons estão parados. Só podemos colocá-los em movimento em nossa imaginação. Temos então que em nossa imaginação movimentá-los. E como eles podem “passear” à vontade, este movimento será aleatório.
E os átomos de cobre não apresentam movimento nenhum?
- Os átomos de cobre não “passeiam” como os elétrons livres, mas fazem um movimento vibratório. Temos então que acrescentar esse movimento em nossa imaginação.
Atividade 4: fechando o interruptor
De posse do circuito, o aluno agora deverá ligar o interruptor e explicar o que está acontecendo dentro do fio sabendo que “algo” circula em um único sentido.
Objetivos específicos
- Conceituar corrente elétrica.
- Diferenciar movimento da corrente elétrica num sentido preferencial e movimento aleatório dos elétrons.
- Dizer que o movimento da corrente elétrica se estabelece instantaneamente em toda a extensão do fio.
Objetivos gerais
Levar o aluno a refletir sobre este “algo” e chegar à conclusão de que são os elétrons que “circulam” porque na verdade passam a se movimentar num sentido preferencial (corrente elétrica), mas o movimento aleatório dos elétrons continua existindo, e que a corrente elétrica é estabelecida em toda a extensão do fio ao mesmo tempo.Tem também como objetivo levar o aluno a refletir sobre o que está levando os elétrons a se movimentarem num sentido preferencial.
Atividade 5: pilha de Volta Objetivos específicos - Conceituar ddp.
- Dizer que papel a ddp desempenha na produção da corrente elétrica. - Conceituar força eletromotriz
- Dizer que papel a força eletromotriz desempenha na manutenção da ddp - Distinguir sentido real e convencional da corrente elétrica.
Objetivos gerais
Levar os alunos perceberem que é através das reações químicas que a ddp se estabelece. O papel desta ddp na produção da corrente elétrica. Estabelecer o conceito de força eletromotriz responsável pela manutenção da ddp. Também tem como objetivo estabelecer o sentido real e o convencional da corrente.
