Aplicação De Diodos Em Experimentos Didáticos: Uma Revisão Da Literatura

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Aplicação De Diodos Em Experimentos Didáticos: Uma Revisão Da Literatura

ARTIGO DE REVISÃO

CARVALHO, Guilherme Vinícius de ^[1]

CARVALHO, Guilherme Vinícius de. Aplicação De Diodos Em Experimentos Didáticos: Uma Revisão Da Literatura. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 06, Ed. 06, Vol. 15, pp. 58-72. Junho de 2021. ISSN: 2448-0959, Link de acesso:

https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-eletrica/aplicacao-de-diodos RESUMO

Apresenta-se neste trabalho uma revisão de literatura na base SciELO, para fomento à iniciativa de emprego do semicondutor diodo em experimentos educacionais, que facilite e incentive o estudo sobre fenômenos físicos e sobre funcionamento do próprio dispositivo. Os artigos selecionados compreendem o período entre 2005 e 2019. A revisão foi dividida de acordo com a forma construtiva do diodo utilizado no experimento em estudo: diodo, diodo emissor de luz e laser diodo. Dessa maneira o artigo pode contribuir com estudos posteriores, objetivando a construção de novos experimentos.

Palavras-chave: Diodo, LED, Laser diodo, Semicondutores, Ensino.

1. INTRODUÇÃO

As inovações tecnológicas modificam a forma dos processos humanos. Com essas mudanças são necessárias adequações a métodos de ensino que vão além dos processos teóricos tradicionais. A criatividade dos alunos precisa ser aguçada para estimular o processo de aprendizagem, além disso, eles estão pré-dispostos a novos modelos (MORAES, 2014). As áreas relacionadas a natureza, como a física, apresentam uma complexidade elevada para o entendimento, fazendo com que a visualização do processo seja ainda mais necessária (RIBEIRO; VERDEAUX, 2012).

A utilização de sistemas eletrônicos pode auxiliar na simulação de fenômenos físicos, pois são de acesso simples e viáveis financeiramente. Os sistemas podem ser construídos de maneira robusta de forma que se

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tornem ainda mais confiáveis (ROCHA; MARTINS-FILHO; MACHADO, 2005). Além disso, a construção do sistema auxilia o aluno como forma de incentivo e no entendimento da complexidade dos circuitos eletrônicos. Ocasionando em um ambiente favorável ao desenvolvimento de inovações tecnológicas (MOURA; ALMEIDA, 2014).

O diodo é o dispositivo eletrônico mais simples e pode ser aplicado em diversas situações. Esse dispositivo sólido é construído com materiais semicondutores. Segundo Boylestad (2013) semicondutores são “uma classe especial de elementos cuja condutividade está entre a de um bom condutor e a de um isolante”. Os mais utilizados são o germânio (Ge), silício (Si) e arseneto de gálio (GaAs). Para o uso nos diodos, os semicondutores passam por uma adição de impurezas de forma que as características sejam alteradas convenientemente. O nome dado a esses materiais é extrínseco, tendo os materiais do tipo P e N como de importância precípua.

Em maiores detalhes a construção do diodo é feita através da junção de materiais do tipo P e do tipo N.

Conhecido como junção PN. No material do tipo P há uma predominância de lacunas, enquanto no material do tipo N predomina os elétrons livres. Portanto os elétrons tendem a transitar de N para P. Ao transitarem faz com que existam no lado P íons negativos e no lado N íons positivos. Formando na região da junção uma camada (camada de depleção) livre de elétrons e lacunas, porém com acúmulo de íons que constituem uma barreira (CRUZ, 2014).

Quando o diodo é polarizado reversamente (terminal positivo no material N), há um aumento da região de barreira, dificultando a passagem de corrente elétrica. Já na polarização direta (terminal positivo no material P) existe uma distribuição interna facilitando a passagem de corrente elétrica. Essa é a principal característica de funcionamento do diodo (BOYLESTAD, 2013). A Figura 1 apresenta simbologia do diodo em polarização direta:

Figura 1: Símbolo diodo em polarização direta

Fonte: BOYLESTAD, 2013

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2. OBJETIVO

Realizar uma pesquisa na base de dados internacional SciELO, visando descrever e revisar o emprego do componente eletrônico diodo, com suas diferentes formas construtivas, em experimentos didáticos para simulação de fenômenos físicos.

3. JUSTIFICATIVA

Os conceitos apresentados evidenciam a necessidade de explorar formas de utilização dos meios eletrônicos para dinamização do ensino de conteúdos relacionados a fenômenos físicos. Nesse contexto o diodo, por ser um componente básico e de larga versatilidade, se torna um bom ponto de partida para referências futuras. Portanto, a revisão bibliográfica sobre tal componente pode fomentar aplicação nos experimentos didáticos.

4. METODOLOGIA

Realizou-se uma análise bibliográfica na base de dados SciELO (Scientific Eletrônic Library Online) utilizando o tema “diodos em experimentos didáticos”. Essa base disponibiliza um acervo de produções científicas nacionais e internacionais com amplo reconhecimento no meio acadêmico. Os procedimentos da pesquisa bibliográfica serão descritos a seguir.

No período entre dezembro de 2019 e fevereiro de 2020 foram realizadas consultas na base de dados SciELO, sem filtro por período de publicação, utilizando os seguintes termos (em português e inglês):

“diodo (diode)” – Filtrando a busca por "education & educational research" OR "physics, multidisciplinary";

“diodo (diode)” AND “experimentos (experiments)”;

“diodo (diode)” AND “experimentos didáticos (didactic experiments)”;

“diodo (diode)” AND “educação (education)”;

“diodo (diode)” AND “física (physics)”;

“componentes eletrônicos (electronic components)” AND “experimentos didáticos (didactic experiments)”

Os resultados das pesquisas, com os artigos encontrados para cada termo, estão apresentados na Tabela 1.

Tabela 1 - Quantidade de Artigos Encontrados

Termo Pesquisado Quantidade de Artigos

“diodo (diode)” 17

“diodo (diode)” AND “experimentos (experiments)”

8

“diodo (diode)” AND “experimentos didáticos (didactic experiments)”

0

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“diodo (diode)” AND “educação (education)” 7

“diodo (diode)” AND “física (physics)” 16

“componentes eletrônicos (electronic components )” AND “experimentos didáticos (didactic

experiments)”

0

TOTAL 48

Fonte: do Autor, 2020

Em seguida, foi realizada a avalição dos resumos dos 48 artigos encontrados com o objetivo de verificar a pertinência ao assunto em estudo. Através dessa avaliação, foram selecionados 7 artigos para revisão bibliográfica, compreendendo o período entre 2005 e 2019. Os artigos selecionados estão apresentados na Tabela 2.

Tabela 2 – Artigos Selecionados

Título do Artigo Ano da Publicação Autores Periódico

Comportamento caótico em um circuito RLC não-

linear

2005 N. Carlin1; E.M. Szanto / W.A. Seale / F.O. Jorge

/ F.A. Souza / I.H.

Bechtold / L.R. Gasques

Revista Brasileira de Ensino de Física

Determinação experimental da constante de Boltzmann

a partir da curva característica corrente-

voltagem de um diodo

2015 Vagner Santos da Cruz / Vitorvani Soares

Estudo das propriedades do Diodo Emissor de

Luz (LED) para a determinação da constante de Planck

numa maquete automatizada com o auxílio da plataforma

Arduíno

2019 Ivanor N. de Oliveira Revista Brasileira de Ensino de Física

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Experimento para modelar a acomodação

do olho humano

2019 Gustavo Trierveiler/Julio Flemming

Haciendo hologramas en la escuela y en la casa

2010 Rolando Serra ToledoI / Alfredo Moreno YerasI / Daniel S.F. MagalhãesII / Mikiya MuramatsuIII

/ José B. Lemus

Refrigerador termoelétrico de peltier usado para estabilisar um

feixe laser em experimentos didáticos

2014 Paulo Roberto de

MouraI / Danilo Almeida

Simple assembling of organic light–emitting

diodes for teaching purposes in undergraduate labs

2008 S. Vázquez–Córdova / G. Ramos–Ortiz / J.L.

Maldonado / M.A.

Meneses–Nava / O.

Barbosa–García

Revista Mexicana de Física E

Fonte: do Autor, 2020

5. DISCUSSÃO E RESULTADOS

Durante a verificação dos artigos para seleção bibliográfica percebeu-se a aplicação dos diodos com diferentes estruturas e em formas diversas. O diodo pode ser aplicado com sua estrutura básica construtiva e pode sofrer atualizações para o implemento de novas funções. Serão apresentadas, as aplicações dos diferentes dispositivos construídos com base no diodo PIN e sua forma de utilização em cada experimento nos artigos, a seguir.

5.1 DIODO

Conforme citado anteriormente o diodo possui uma enorme gama de aplicações, além de ser um dos dispositivos eletrônicos mais básicos em seu funcionamento. O diodo PIN é o diodo semicondutor formado apenas pela junção dos materiais do tipo p e do tipo n (BOYLESTAD, 2013).

O trabalho proposto por Carlin et al. (2005), apresenta uma forma de utilização do diodo em seu estado fundamental, substituindo um capacitor em circuito RLC (Circuito composto por: resistor, indutor e capacitor), para verificar os conceitos básicos de um sistema caótico. O fenômeno do caos, elucidado na

“Teoria do Caos”, se refere a um comportamento sensível à variação das condições iniciais de operação

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em diferentes sistemas. Esse fenômeno está presente em diversas áreas da ciência. Em geral são expressos através de modelagens matemáticas das equações diferenciais ordinárias (CATTANI et al., 2016).

A ideia de substituição do capacitor pelo diodo se dá pelo fato desse não ter uma variação linear da capacitância (devido às características da junção p-n) em função da tensão aplicada. Com isso é possível aplicar tensões que provocam oscilações caóticas. A Figura 2 apresenta o circuito construído para o experimento (CARLIN et al., 2005).

Figura 2: Esquemas circuito RLC substituindo o capacitor pelo diodo

Fonte: CARLIN;

SZANTO; SEALE; JORGE; SOUZA; BECHTOLD; GASQUES, 2005

O experimento foi desenvolvido para elucidação prática do tema caos em atividades laboratoriais.

Primeiramente foi realizado um levantamento da curva de tensão em função da capacitância no circuito RLC. Em seguida substituiu-se o capacitor pelo diodo. Variou-se a frequência e observou-se, com a conexão do osciloscópio, as tensões na fonte e no diodo. Assim foi possível visualizar a evolução do sistema. Foram realizadas simulações computacionais. Através desses processos foi possível entender o fenômeno do caos de forma prática (CARLIN et al., 2005).

A Teoria do Caos possui algumas importâncias fundamentais no ensino, que serão descritas a seguir, conforme citado por Ferrari (2008):

Modo alternativo de produzir conhecimento científico (além do foco na previsão);

Fomenta a educação computacional (criação de programas);

Ferramenta para alcançar o público leigo.

No artigo desenvolvido por Cruz e Soares (2015) foi apresentado outro conceito de grande importância em estudos científicos, a determinação da constante de Boltzmann. Essa constante, uma das mais fundamentais da física, estabelece uma relação entre temperatura e energia. O símbolo e o valor dessa constante são apresentados na Equação 1 (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2012):

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Para determinação experimental de tal constante Cruz e Soares (2015) construíram um esquema com a utilização de diodo e outros componentes de simples manipulação. O experimento tem por objetivo a demonstração com facilidade em aulas da graduação e do ensino médio. A representação esquemática está apresentada na Figura 3.

Figura 3: Esquema para determinação da constante de Boltzmann com a utilização de um diodo

Fonte:

CRUZ; SOARES, 2015

O passo inicial do experimento foi o levantamento da curva característica do diodo em diferentes temperaturas de operação. Em seguida com a manipulação dos resultados foi obtida uma curva relacionando a tensão no diodo (V_D) e a temperatura (T), mudando a escala para Kelvin (K). Com essa curva foi possível manejar convenientemente os resultados de forma a equacionar e demonstrar a constante (k_B). Esse valor é a constante de Boltzmann e teve uma variação de apenas 6% do valor determinado da Equação 1. O trabalho desenvolvido apresentou um experimento de baixos custo e complexidade técnica, que pode ser realizado por professores como forma de dinamizar o processo de ensino aos alunos (CRUZ; SOARES, 2015).

5.2 DIODO EMISSOR DE LUZ

LED, sigla para light-emitting diode, em inglês, ou diodo emissor de luz, é um componente eletrônico capaz de emitir luz de forma visível ou invisível. Assim como o diodo comum ele é construído com uma junção de materiais dos tipos n e p, com a chamada polarização direta. Enquanto os diodos de germânio ou silício liberam energia na forma de calor, o LED libera na forma de fótons. Ele pode ser construído com diversos semicondutores compostos e se diferenciam pela cor da luz emitida (frequências diferentes) e pela tensão de polarização. A Figura 4 demonstra a representação gráfica do LED (BOYLESTAD, 2013).

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Figura 4: Símbolo LED em polarização direta

Fonte: BOYLESTAD, 2013

Assim como o diodo do no estado básico o LED possui uma enorme gama de aplicações. Na publicação de Oliveira et al. (2020) uma outra característica física fundamental foi estudada: a constante de Planck.

Da mesma forma que no trabalho sobre a constante de Boltzmann, foi desenvolvido um protótipo para determinar de forma experimental a constante de Planck. Porém o dispositivo empregado foi o LED.

A constante de Planck foi explicada pelo físico alemão Max Planck que buscava entender a relação entre energia e frequência da radiação emitida por um corpo. Em sua pesquisa determinou que a relação entre a energia e a frequência de radiação é proporcional e essa proporção hoje nomeia-se constante de Planck. A Equação 2 apresenta o símbolo da constante e o valor referente (SAMPAIO; CALÇADA, 2005).

Foram montadas duas variantes da maquete, com um LED, e conectado ao microprocessador Arduino. As maquetes se diferenciam pela forma de observação do espectro da radiação do LED. Ambas foram testadas para aquisição de dados da forma de radiação e uma foi escolhida por permitir a visualização com o ambiente externo iluminado (OLIVEIRA et al., 2020).

O experimento iniciou-se pela manipulação das fórmulas quantitativas clássicas e quânticas de energia a fim de obter a equação para obtenção da constante de Planck. Em seguida, mediu-se os ângulos de difração a fim de determinar o comprimento de luz incidente do LED. Foi construído também um gráfico da corrente versus a tensão no dispositivo. A tensão limiar de radiação foi obtida através do método dos mínimos quadrados. Os dados foram operados nos softwares Excel e do próprio Arduino e a constante foi obtida através do estudo das características dos LEDs estudados. O projeto pode auxiliar os estudantes tanto no aprendizado sobre a constante em estudo quanto no manuseio de dispositivos como o Arduino (OLIVEIRA et al., 2020).

Além da utilização dos dispositivos eletrônicos em experimentos com objetivos de elucidar conceitos científicos, é possível desenvolver formas de compreender a ciência relacionada ao próprio dispositivo e assim empregar em fins educacionais. Vazquez; Cordova (2020) apresentaram um método de fabricação dos chamados diodos orgânicos emissores de luz (Oleds), que podem ser utilizados para fins educacionais devido a simplicidade e o baixo custo. Oleds são construídos com materiais orgânicos.

No experimento os materiais orgânicos utilizados foram os polímeros em diferentes formas. Esses materiais são dissolvidos em solventes e são girados em alta velocidade para se depositarem em um

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substrato. Camadas vão sendo depositadas até que a última camada forme o cátodo com a utilização de metais catódicos (VAZQUEZ; CORDOVA, 2020).

Embora não possam ser empregados em escala comercial os Oleds se posicionam como alternativa de baixo custo para utilização em questões educacionais. Com eles é possível realizar experimentos para determinação dos parâmetros principais do LED (VAZQUEZ; CORDOVA, 2020).

5.1 DIODO LASER

O diodo laser assim como o LED irradia luz. A diferença entre os dois está no fato que o diodo laser emite ondas de luz que estão na mesma fase, enquanto o LED emite a chamada luz não coerente onde há uma diferença de fase entre as luzes irradiadas pelos elétrons. A luz do diodo laser é nomeada luz coerente. Devido a essa caraterística o diodo laser reflete um feixe de luz intenso e focado. Também como os LEDs esses diodos podem produzir tanto a luz visível quanto a invisível (MALVINO; BATES, 2011).

São diversas as aplicações possíveis com os diodos lasers, com destaque para importante utilização nos cabos de fibra óptica a fim de aumentar a velocidade de transmissão (MALVINO; BATES, 2011). Em comparação com o LED, o diodo laser possui um valor mais elevado e uma maior sensibilidade a temperatura. As vantagens em relação ao LED, são as altas taxas de transmissão e potência (BOYLESTAD, 2013).

Com a utilização de diodos lasers, Trierveiler e Flemming (2018) construíram um sistema com recursos simples e com grande relevância para o ensino de óptica. O experimento simula o processo de acomodação do olho humano.

A acomodação do olho humano tem relação com o processo de adaptação as mudanças de intensidade luminosa (WENER; TRINDADE, 2000). Ela é limitada e sua eficiência varia de acordo com as características do indivíduo. A construção da estrutura do olho foi realizada com material alternativo. Os diodos do experimento têm a função de simular os feixes de luz. O experimento auxilia o aluno em conceitos como: funcionamento do olho humano, processo de acomodação do olho e conceitos de física óptica (TRIERVEILER; FLEMMING, 2018).

Toledo, Yeras, Magalhães, Muramatsu e Lemus (2010) desenvolveram outro projeto para fins educacionais com a utilização do laser diodo. Focado no dinamismo no ensino de física, o experimento explana conceitos relacionados à holografia.

A holografia tem por finalidade a emissão de imagens tridimensionais. As imagens são provenientes de lasers com os raios luminosos em sobreposição. Hologramas podem ser aplicados em diversas áreas como: etiquetas, displays, televisões, entre outras (SANTOS; PEDROSA, 2015).

O esquema montado é conhecido como Denisiuk e foram utilizados materiais alternativos. O laser diodo foi utilizado para gerar os raios luminosos que constroem o holograma. A metodologia do trabalho permite ao estudante o conhecimento de conceitos ligados a óptica, assim como o funcionamento de hologramas e eventuais erros de projeto na sua construção. Com resultado favorável ao ensino de física e desenvolvimento de interesse pela área (TOLEDO et al., 2010).

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Outro trabalho com a utilização do laser diodo foi desenvolvido por Moura e Almeida (2014). O experimento teve como finalidade a demonstração de um circuito de controle, baseado no efeito Peltier.

Esse circuito foi empregado na estabilização térmica do laser diodo. Com o resultado foi possível discutir efeitos relacionados a termodinâmica e o emprego do diodo.

O efeito Peltier é um fenômeno observado quando uma corrente elétrica atravessa uma junção de materiais ocasionando uma variação de temperatura. O sentido da corrente e a posição de cada material determina qual tipo de variação da temperatura. Nos semicondutores de junção dos materiais do tipo p e n, um lado se aquece enquanto o outro se resfria a depender do sentido da corrente elétrica. (MARTINS SILVA, 2017).

A montagem do experimento foi realizada inicialmente juntando-se a superfície quente de um módulo Peltier a um dissipador de calor. No lado frio ficaram os fotodiodos com a função de medir o feixe transmitido pelo laser diodo. A Figura 5 apresenta o esquema da base do experimento (MOURA;

ALMEIDA, 2014).

Figura 5: Base Experimento

Fonte: MOURA; ALMEIDA, 2014

Com essa estrutura foi realizado o experimento possibilitando a manipulação para obtenção da estabilização térmica do laser diodo. Assim corrigiu-se a dispersão das medidas em função do tempo. O desenvolvimento conjunto com os alunos possibilitou, mais uma vez, a assimilação de conceitos físicos de forma prática (MOURA; ALMEIDA, 2014).

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6. CONCLUSÃO

Baseando-se na revisão de literatura realizada na base internacional SciELO foi possível verificar a diversa gama de aplicações do diodo em experimentos determinantes de conceitos relacionados a física ou que de alguma forma levantem questões de importância a esse tema. Em alguns casos os princípios relacionados ao próprio funcionamento do diodo em suas diferentes formas podem ser utilizados para esse fim.

A revisão buscou também verificar a importância de experimentos práticos para assimilação de conceitos complexos. Isso foi comprovado através de biografias diversas, que demonstraram ainda o valor de incentivo que esses experimentos trazem ao cotidiano de estudo.

Foram temas de revisão os seguintes conceitos: Teoria do Caos, Constante de Boltzmann, Constante de Planck, Diodos orgânicos emissores de luz (Oled), Acomodação do olho humano, Holografia e Efeito Peltier. Essa variedade de temas e o modo como os experimentos foram construídos demonstram que é possível desenvolver, de forma simples e com baixo custo, métodos para dinamizar e otimizar o ensino de determinados temas. Como dispositivo básico da eletrônica, o diodo atende esses requisitos de simplicidade e baixo custo e ainda pode ser encontrando facilmente.

Em consonância com objetivo proposto, o trabalho se mostra como possível ferramenta para estímulo a novos experimentos e à verificação de conceitos como funcionamento do diodo e de outros temas desenvolvidos.

REFERÊNCIAS

BOYLESTAD, Robert L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos, 11. ed., Pearson Education do Brasil, São Paulo, 2013.

CARLIN, N.; SZANTO, E.m.; SEALE, W.a.; JORGE, F.o.; SOUZA, F.a.; BECHTOLD, I.h.;

GASQUES, L.r.. Comportamento caótico em um circuito RLC não-linear. Revista Brasileira de Ensino de Física, 2005. Disponível em:

<http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1806-11172005000200007>. Acesso em: 29 Fev. 2020.

CATTANI, Mauro; CALDAS, Iberê Luiz; SOUZA, Silvio Luiz de; IAROSZ, Kelly Cristiane.

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Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1806-11172017000100409&ln g=en&nrm=iso&tlng=en>. Acesso em: 29 Fev. 2020.

CRUZ, Eduardo Cesar Alves. Eletro?nica analo?gica ba?sica, 2.ed., E?rica, Sa?o Paulo, 2014.

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FERRARI, Paulo Celso. Temas contemporâneos na formação docente a distância - uma introdução à teoria do caos. 2008. 135 f. Tese (Doutorado) - Curso de Educação Científica e Tecnológica, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2008. Disponível em: <https://repositorio.ufsc.br/bitstream/handle/123456789/91442/256624.pdf?sequence=1>. Acesso em: 08 jul. 2015.

HALLIDAY D.; RESNICK R. e WALKER J.. Fundamentos de Física: gravitação, ondas e termodinâmica. Volume 2. 9ª edição. Editora LTC, 2012.

MALVINO, Albert; BATES, David J.. Eletro?nica: diodos, transistores e amplificadores. 7. ed.. Porto Alegre: AMGH, 2011.

MARTINS SILVA, Clésio. Implementação de Práticas Experimentais sobre os Efeitos Seebeck e Peltier em aulas de Física do Ensino Médio. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Mato Grosso, Instituto de Ciências Exatas e da Terra, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física em Rede Nacional -PROFIS - Mestrado, Pontal do Araguaia, 2017.

MORAES, José Uibson Pereira; SILVA JUNIOR, Romualdo S. Experimentos didáticos no ensino de física com foco na aprendizagem significativa. Aprendizagem Significativa em Revista, PortoAlegre, v.

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Acesso em: 22 Fev. 2020.

TRIERVEILER, Gustavo; FLEMMING, Julio. Experimento para modelar a acomodação do olho humano. Revista Brasileira de Ensino de Física, [s.l.], v. 41, n. 2, p.1-2, 18 out. 2018. Disponível em:

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WENER, Leonardo; TRINDADE, Fernando. Fisiologia da acomodação e presbiopia. Arquivo Brasileiro de Oftalmologia, Belo Horizonte, 2000. Disponível em:

<http://www.scielo.br/pdf/abo/v63n6/9615>. Acesso em: 29 Fev. 2020.

[1] Especialista em Engenharia de Desenvolvimento de Projetos Eletrônicos – Faculdade UniBF;

Especialista em Engenharia Elétrica com Ênfase em Instalações Elétricas Residenciais – Faculdade UniBF; Bacharel em Engenharia Elétrica – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais.

Enviado: Maio, 2021.

Aprovado: Junho, 2021.

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