Experimentos para visualização de linhas de campo elétrico para o ensino médio

(1)

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE INSTITUTO DE FÍSICA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM FÍSICA

Fábio de Vasconcelos Almeida

Experimentos para visualização de linhas de campo elétrico para o ensino médio

(2)

Niterói 2019

Fábio de Vasconcelos Almeida

Experimentos para visualização de linhas de campo elétrico para o ensino médio

Monografia apresentada ao Curso de Graduação em Física da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para a obtenção do Grau de Licenciado.

Orientador: Prof. Dr. Newton Luiz Pires Mansur

(3)

(4)

(5)

AGRADECIMENTOS

Aos verdadeiros amigos que estão sempre ao meu lado em todos os momentos.

A minha mãe Vilma Moreti que lutou a vida inteira para que eu pudesse chegar até aqui e ao meu irmão Fabiano Vasconcelos que sempre foi uma presença alegre e divertida na minha vida.

A minha namorada Maria Eduarda que me incentivou demais a concluir minhas tarefas acadêmicas e nunca desistiu de me incentivar.

Agradeço а todos os professores por me proporcionar о conhecimento não apenas racional, mas а manifestação do caráter е afetividade da educação no processo de formação profissional.

(6)

“Talvez não tenha conseguido fazer o melhor, mas lutei para que o melhor fosse feito. Não sou o que deveria ser, mas Graças a Deus, não sou o que era antes”. (Marthin Luther King)

(7)

RESUMO

A forma como o ensino de ciências vem sendo tradicionalmente abordado em salas de aula vem encontrando diversos obstáculos e desafios, um desses obstáculos seria o grande desinteresse por parte dos alunos acerca de conteúdos científicos e suas aplicações e utilizações no cotidiano. A experimentação é uma das mais importantes ferramentas do ensino de ciências, sendo assim, este estudo tem por objetivo analisar a importância que experimentos relativamente simples podem ter no processo de aprendizado de física. Concluísse que o professor de ciências possui uma grande e importante ferramenta que vem sido pouco utilizada ou até mesmo sendo utilizada de forma errada, que seria a experimentação em laboratório ou a demonstração de experiencias em sala de aula, a exposição aos fenômenos físicos estimula a curiosidade dos estudantes.

(8)

ABSTRACT

The way in which teaching science has traditionally been approached in classrooms has encountered several obstacles and challenges, one of these obstacles would be the lack of interest on the part of students about scientific content and its applications and uses in daily life. Experimentation is one of the most important tools of science teaching, so this study aims to analyze the importance that relatively simple experiments can have in the process of learning physics. It was concluded that the science teacher has a great and important tool that has been little used or even being used in the wrong way, which would be experimentation in the laboratory or the demonstration of experiences in the classroom, exposure to physical phenomena stimulates curiosity of students.

(9)

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ... 12

2. REFERENCIAL TEÓRICO ... 14

2.1 EXPERIMENTO: VERIFICAÇÃO DE LINHAS DE CAMPO ELÉTRICO. ... 19

2.1.1 Materiais utilizados ... 19

2.1.2 Ligação do drive flyback ... 20

2.1.3 Especificações típicas ... 20

2.1.4 Função típica ... 20

Figura 1: Flayback ... 20

CONCLUSÃO ... 54

(10)

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Flayback ... 20

Figura 2: Multímetro digital. ... 21

Figura 3: Pinos na base do flyback. ... 21

Figura 4: Medição da resistência do flyback. ... 22

Figura 5: Reator de lâmpada fluorescente aberta. ... 22

Figura 6: Extensão elétrica ligada ao reator. ... 23

Figura 7: Ligações do reator eletrônico. ... 23

Figura 8: Cabos de ligação conectados aos pinos externos. ... 24

Figura 9: Reator conectado ao flyback. ... 24

Figura 10: Conector do flyback ... 25

Figura 11: Conector jacaré ligado ao flyback. ... 25

Figura 12: Centelha elétrica produzida pela ligação. ... 26

Figura 13: Ligação do cabo com conector jacaré ao pino negativo do flyback. ... 26

Figura 14: Prato transparente e parafusos. ... 27

Figura 15:Parafusos colados ao prato. ... 27

Figura 16: Sementes de erva doce. ... 27

Figura 17: Flyback conectado aos parafusos imersos no óleo. ... 28

Figura 18: Configuração inicial das linhas de campo. ... 28

Figura 19: Configuração final das linhas de campo. ... 29

Figura 20: Modelo teórico ideal das linhas de campo ao redor de cargas puntiformes. ... 29

Figura 21: Pedaços de lâmina de serra ... 30

Figura 22: Lâminas envolvidas no papel alumínio ... 30

Figura 23: Configuração inicial das linhas de campo. ... 30

Figura 24: Configuração final das linhas de campo. ... 31

Figura 25: Modelo teórico ideal das linhas de campo ao redor de uma carga puntiformes e uma barra carregada uniformemente, desprezando o efeito de borda. . 31

Figura 26: Configuração inicial das linhas de campo entre duas placas paralelas. ... 32

Figura 27: Configuração final das linhas de campo entre duas placas paralelas. ... 32

Figura 28: Modelo teórico ideal das linhas de campo entre duas placas paralelas, desprezando o efeito de borda. ... 32

Figura 29: suporte circular. ... 33

Figura 30: Configuração inicial com o circuito desligado. ... 33

Figura 31: Configuração final das linhas de campo ao redor de um anel carregado. .. 34

Figura 32: Modelo teórico ideal das linhas de campo ao redor do anel carregado. ... 34

Figura 33: Bobina de 12 voltas com um tap central. ... 36

Figura 34: Desenho ilustrativo do mosfet com a identificação dos pinos. ... 36

Figura 35: Circuito final da ligação do flyback com especificação dos componentes. 37 Figura 36: Caixa de mdf com os furos. ... 38

Figura 37: Positivo(conector) e negativo(fio conectado ao pino que produziu a centelha) saindo pelos furos da frente e com conectores tipo jacaré. ... 38

Figura 38: Interruptor tipo bastão. ... 38

(11)

Figura 40: Interruptor tipo bastão visto por fora da caixa. ... 39

Figura 41: Circuito do flyback ligado com o interruptor tipo bastão. ... 39

Figura 42: Caixa com o circuito interno terminado. ... 40

Figura 43:Aquário de acrílico pronto com os parafusos. ... 41

Figura 44: Aquário de acrílico com a tampa centralizada. ... 41

Figura 45: Pedaço de lâmina colada na fenda do parafuso. ... 42

Figura 46: Aquário com os parafusos fixados as lâminas. ... 42

Figura 47: Configuração final do circuito com a fonte de alimentação e o aquário. .... 43

Figura 48: Tubos pvc envolto em papel alumínio e o surgimento da centelha devido a aproximação do conector. ... 44

Figura 49: Um dos tubos sem o papel alumínio e o não surgimento da centelha devido a aproximação. ... 44

Figura 50: Concepção alternativa acerca das linhas de campo ao redor de duas cargas puntiformes.(Aluno 1) ... 45

Figura 53: Concepção alternativa acerca das linhas de campo ao redor de uma barra carregada uniformemente e uma carga puntiforme.(Aluno 1) ... 47

Figura 56: Concepção alternativa acerca das linhas de campo ao redor de duas barras carregadas uniformemente.(Aluno 1) ... 48

Figura 59: Experimento realizado em uma das aulas. ... 49

Figura 60: Desenho refeito após demonstração experimental (aluno 1) ... 49

(12)

12 1. INTRODUÇÃO

A forma como o ensino de ciências vem sendo tradicionalmente abordado em salas de aula vem encontrando diversos obstáculos e desafios, um desses obstáculos seria o grande desinteresse por parte dos alunos acerca de conteúdos científicos e suas aplicações e utilizações no cotidiano.

Longe de enxergar como o conteúdo ministrado em salas de aula pode ajuda-los a se tornar cidadãos mais conscientes e capazes de exercer sua cidadania de forma mais ampla, os alunos não estão suficientemente motivados ao aprendizado cientifico e esse desinteresse acaba por criar outros problemas, que não se limitam somente as salas de aula, mas sim ao restante de suas vidas cotidianas.

O ensino médio vem perdendo a sua característica terminal e em grande parte dos colégios isso vem sendo substituído por um modelo propedêutico, dessa forma o aluno passa a enxergar o conteúdo cientifico como algo necessário apenas para realizar provas de acesso ao ensino superior, vê o ensino de ciências de forma limitada e desinteressante, focando apenas em resolução de problemas teóricos e conceituais assim como na memorização de formulas que acabam por distanciar ainda mais o aluno que não se interessa e que tem dificuldade no assunto.

Uma intervenção radical no modelo de ensino é algo complexo de se realizar, visto a quantidade de empecilhos que o professor pode encontrar em seu caminho, tais como: Direção e coordenação das instituições de ensino que continuam exigindo do professor que o conteúdo seja ministrado de forma rápida e focada no modelo de resolução de problemas para os vestibulares/enem.

A utilização de novas técnicas exige do professor um tempo maior na elaboração das aulas, o que quase nunca é possível, haja visto que os professores, atualmente, estão com uma carga horaria excessiva de trabalho, muitos deles com valores bem acima de 40 horas semanais de trabalho. No entanto o maior dos problemas está no fato do próprio professor não enxergar a necessidade da utilização de novas técnicas e modelos de ensino e acabar esperando que a solução do problema surja de outras partes e como isso não acontece, o ele fica cada vez mais desmotivado e que contribui de forma significativa para o sucateamento do ensino.

(13)

13

O professor de ciências possui uma grande e importante ferramenta que vem sido pouco utilizada ou até mesmo sendo utilizada de forma errada, que seria a experimentação em laboratório ou a demonstração de experiencias em sala de aula. Essas ferramentas são importantíssimas, pois estimula os sentidos dos alunos o que torna o fenômeno mais concreto e interessante, e isso torna o aluno capaz de desenvolver concepções sobre fenômenos que pode ver, sentir e medir.

Essas concepções que os alunos trazem sobre os assuntos muitas vezes são confrontadas pelos experimentos e o professor deve orienta-los a desenvolver novos conceitos e modelos se for necessário. Nesse momento o professor deve atuar como um orientador de um grupo de debate, mostrando aos alunos como que algumas ideias podem ser limitadas, incompletas ou até mesmo contraditórias. Isso motiva o aluno a participar de forma mais ativa das aulas, o que a torna mais interessante e curiosa pois o aluno tem mais estímulos, o que muitas vezes contribui para um interesse maior, como por exemplo, entender como tal fenômeno ocorre? O que está por trás do que foi observado? Como tal fenômeno pode influenciar o cotidiano dele? A experimentação é uma das mais importantes ferramentas do ensino de ciências e ao mesmo tempo não é algo que radicaliza o ensino mais tradicional, isso significa que ele pode ser introduzido nas aulas de forma sutil, contribuindo para uma modificação do ensino que só poderá acontecer aos poucos.

(14)

14 2. REFERENCIAL TEÓRICO

A partir do momento em que o professor decide abrir mão da metodologia tradicional de ensino e passa a utilizar outras formas, ele deve em primeiro lugar abrir não da ideia de que o aluno é mero receptor de conteúdos e passar a vê-los como detentores e construtores do conhecimento. O professor cabe a tarefa de mediar o conhecimento científico confrontando as possíveis contradições entre a concepção do aluno e os resultados obtidos através das atividades experimentais propostas em sala. Investigação e compreensão são competências básicas sugeridas pelo PCN, e por isso a utilização de práticas experimentais desempenha papel fundamental na construção do saber.

Segundo Coelho (2013), esse tipo de metodologia potencializa o aprendizado porque leva o aluno a pensar, debater, justificar suas ideias e aplicar seus conhecimentos em situações novas.

A abordagem experimental apresenta uma serie de contribuições que vão muito além de despertar o interesse pela ciência.

De acordo com Oliveira (2015), a atividade experimental pode apresentar as seguintes contribuições:

• Para motivar e despertar a atenção dos alunos.

• Para desenvolver a capacidade de trabalhar em grupo • Para estimular a criatividade

• Para aprimorar a capacidade de observação e registro de informações • Para aprender a analisar dados e propor hipóteses para os fenômenos • Para aprender conceitos científicos

• Para detectar e corrigir erros conceituais dos alunos

• Para compreender a natureza da ciência e o papel do cientista em uma investigação

• Para compreender as relações entre ciência, tecnologia e sociedade • Para aprimorar habilidades manipulativas

Embora a atividade experimental seja algo que chame a atenção e desperte interesse, apresentando um caráter motivador (giordan, 1999), não podemos achar

(15)

15

que somente isso seja suficiente. Alguns aspectos das atividades experimentais vêm sendo questionada por alguns pesquisadores (GONÇALVES; 142 Acta Scientiae, v.12, n.1, jan./jun. 2010 MARQUES, 2006). Segundo Hodson (1994) as atividades práticas não são vistas de forma positiva por todos os alunos. Uma possível maneira de solucionar essa questão é sugerida por (Oliveira, 2015).

Destaque-se também o fato de que a simples aplicação de uma atividade experimental não garante que toda a turma ficará envolvida, especialmente em abordagens demonstrativas. Por esse motivo, sugere-se que o professor use estratégias que mantenham a atenção dos alunos focada sobre a atividade proposta, tais como a solicitação de registros escritos dos fenômenos observados, questionamentos realizados no decorrer do experimento e, sempre que possível, estimular os próprios alunos a participem de várias etapas da atividade. (Oliveira 2015)

Outra vantagem apresentada pela atividade experimental seria a interação entre os alunos através do trabalho em grupo. Esse tipo de atividade é frequentemente apontado como uma estratégia de ensino responsável por favorecer a interação entre os alunos. De acordo com (GALIAZZI; GONÇALVES, 2004) Nessas situações os alunos são colocados em situações em que precisam aprender a ouvir, respeitar e até abrir mão de seu posicionamento em função do grupo. Nesses momentos, são estimulados o desenvolvimento lógico e a capacidade de se expressar de maneira mais coerente.

Atualmente, nas salas de aula os alunos estão habituados a apenas receber informações e conhecimentos vindo do professor de maneira direta e não são estimulados ao questionamento. Isso leva a uma passividade metal, pois os formatos das aulas não os levam a questionar e a se posicionar em torno de um ponto de vista, mas sim a receber a informação como uma verdade absoluta e inquestionável, contribuindo para um distanciamento da ciência, pois passa a impressão que o conhecimento surge de forma quase que espontânea através de gênios. O aluno deve entender que o aprendizado de ciências não requer somente habilidade de observar e manipular, exige também, especulação e formação de ideias próprias. (KRASILCHIK, 1987).

(16)

16

O uso das atividades experimentais é também importante por que auxilia o desenvolvimento a criatividade dos alunos, que devem ser estimulados a uma maior participação as atividades experimentais atuando de forma mais direta solicitando que eles pesquisem mais sobre atividades que consideram mais interessantes, que possam sugerir substituição de equipamentos e que participem de suas montagens (BORGES, 2002; GASPAR, 2003; CARVALHO et al., 2005). O objetivo é que o aluno tenha sua criatividade potencializada a medida que participe de forma mais direta das atividades experimentais.

O aprimoramento da capacidade de observação dos alunos é um dos aspectos que deve ser ressaltado quando falamos das atividades experimentais, pois é fundamental que os alunos compreendam todas as etapas das atividades propostas e como consequência ocorre o aprimoramento da sua concentração. Uma das formas de estimular ainda mais o aprimoramento de tal habilidade é através da solicitação aos alunos de registros escritos sobre os eventos ocorridos durante a atividade (CARVALHO et al., 2005 ). É importante, também, ressaltar que não se deve valorizar a padronização rígida de relatórios experimentais pois o caráter do ensino médio não é profissionalizante, mas algumas instruções básicas devem ser fornecidas a fim de não deixar os alunos inseguros quanto a apresentação e discussões das atividades propostas.

A atividade experimental exige que o professor estimule os alunos a interligar os fenômenos observados as hipóteses desenvolvidas por eles próprios após a experimentação, confrontando quando necessário as possíveis contradições e estimulando o aluno a desenvolver e aprimorar as hipóteses. O ensino tradicional raramente estimula o confronto entre as observações experimentais e informações teóricas, assim a capacidade de elaborar explicações coerentes para os dados obtidos à luz do conhecimento científico são habilidades que raramente são desenvolvidas nos alunos.

Aprender conceitos científicos é outro aspecto que precisa ser ressaltado como vantagem da utilização das atividades experimentais em sala. É importante ressaltar que os conceitos devem ser introduzidos em resposta as concepções alternativas que alguns alunos possam ter em relação aos temas abordados. A atividade experimental deve ser um espaço para a construção de novos conhecimentos e por isso não

(17)

17

necessita estar ligada a uma exposição prévia do conteúdo, o que limitaria a atividade experimental a simplesmente verificação do conteúdo abordado.

A utilização das atividades experimentais, permite que o professor consiga detectar os erros conceituais dos alunos no início da abordagem do tema em sala, normalmente esses erros só chegam ao professor após a aplicação de testes e provas o que é praticamente o final do processo de aprendizagem, portanto, a orientação e correção dos conceitos científicos se tornam mais complexos, o que dificulta o processo final de aprendizado.

De fato, os erros dos alunos quase sempre expressam seus pensamentos e seus sistemas de referências e conceitos, para eles, bastante coerentes. Portanto, mais importante que se apressar em corrigir o erro, é entender melhor porque os alunos erraram, buscando compreender o pensamento do aluno e solicitando explicações sobre os procedimentos adotados e sua forma de entendê-los. Colocando-o em situações de conflitos de ideias e dando-lhes novos conhecimentos, criam-se condições para que o próprio aluno compreenda o erro, ou ainda para que o professor corrija alguns conceitos inadequados. (Oliveira 2015, p.95)

As atividades investigativas devem ser acompanhadas de situações problemáticas, questionadoras e que fomentem diálogo, envolvendo a análise e resolução de problemas concretos e levando a introdução de conceitos, para que os alunos possam construir seus conhecimentos. Para que essas atividades tenham de fato um caráter investigativo, a ação do aluno deve ir além de um trabalho de manipulação ou observação. Ele deve refletir, elaborar hipótese, expor suas ideais, discutir, questionar e defender seus pontos de vista. Cabe ao professor acompanhar e organizar as discussões, provocar, propor novas questões e ajudar os alunos a manterem a coerência e a refletirem sobre suas próprias ideias. Maria Cristina classifica essas atividades em seis partes:

• Proposta do problema: deve ser proposto na forma de pergunta que estimule o aluno estimulando a sua curiosidade.

• Levantamento de hipóteses: os alunos devem levantar hipóteses sobre o problema proposto.

• Elaboração do plano de trabalho: nessa etapa os alunos devem procurar identificar que experiências podem ser feitas, que dados são relevantes para

(18)

18

chegar às suas conclusões. Nessa etapa, o papel de guia e conselheiro do professor torna-se muito importante para manter o foco dos questionamentos e das investigações.

• Montagem do arranjo experimental e coleta de dados: os alunos devem montar seus experimentos para conseguirem obter seus dados, com o professor ainda guiando e dando conselhos sem se meter de fato nos experimentos.

• Análise de dados: nessa etapa os alunos devem examinar seus dados, construir gráficos, procurar entender o que foi observado e/ou medido, procurar equações que descrevam suas observações, que possam fornecer informações sobre o que está sendo objeto estudo.

• Conclusão: unindo tudo que o aluno conseguiu, ele deve ser capaz de chegar à conclusões que podem estar corretas ou não. No segundo caso, cabe ao professor questioná-las, suscitar dúvidas e guiá-lo a recomeçar seu trabalho do estágio onde foi encontrado problemas.

(19)

19 2.1 EXPERIMENTO: VERIFICAÇÃO DE LINHAS DE CAMPO ELÉTRICO.

O objetivo da experiência é tornar ‘visível’ as linhas de campo elétrico em torno das várias configurações geométricas, tornando assim o conceito de linhas de campo elétrico, algo mais concreto, já que será capaz de impressionar um dos sentidos humanos (visão). A ligação do flyback se faz necessária pois com ele obteremos uma tensão necessária para polarizar as sementes de erva doce fazendo com que elas se tornem sensíveis ao campo elétrico.

2.1.1 Materiais utilizados

• Um drive flyback modelo KFT2AB118F XT 2005.01.08 (porém pode ser substituído por qualquer outro modelo com diodo acoplado internamente). Custo: R$12,00 (preço médio em setembro de 2018)

• Uma lâmpada fluorescente de 20W de potência (Apenas para a retirada do reator). Custo: R$ 15,00 (preço médio em setembro de 2018)

• Fios de ligação de 1mm2

• Um multímetro • Fita isolante

• Ferro de solda eletrônica • Solda de estanho

• Um prato de vidro pequeno e transparente • Óleo de cozinha, sal e sementes de erva doce • Lâmina de serra

• Dois prendedores ‘jacarés’

(20)

20 2.1.2 Ligação do drive flyback

Há apenas dois tipos de flybacks: aqueles de saída em CA e os de saída em CC. Aqueles de saída em CA (ou AC, se preferirem) são simples transformadores com núcleo de ferrite; entra AC, sai AC. Os de saída em CC (ou DC) incluem diodos retificadores além de estágios multiplicadores em seu interior; alguns incorporam até potenciômetros. Transformadores flybacks AC são encontrados em antigos televisores e os componentes pertencentes aos retificadores, multiplicadores, etc., são montados separados do flyback. Tais flybacks (AC) são os mais indicados para a montagem de lâmpadas de plasma, uma vez que elas só funcionam com altas tensões AC.

2.1.3 Especificações típicas

Gama de tensão de saída: 10 a 30 kV Gama de corrente de saída: 4 a 15 mA

Frequência de acionamento perto de 15 kHz (como componente de televisor) Frequência de acionamento entre 30 e 150 kHz (como componente de monitor)

2.1.4 Função típica

Figura 1: Flayback

Os flybacks suprem a alta tensão para os tubos de raios catódicos (TRC) dos televisores e monitores. Eles são acionados (diz-se 'driven', em inglês) por forma de

(21)

21

onda em 'dente de serra' na frequência do sinal de vídeo. É parte integrante do circuito de deflexão horizontal, cujo feixe varre a tela da esquerda para a direita, voltando muito rapidamente para a esquerda ao final do percurso. Nos televisores de padrão NTSC esta frequência é de 15 734 Hz e no padrão PAL M é 15 750 Hz. Nos monitores para computador tal frequência varia geralmente entre 30 kHz e 150 kHz. Conhecer a frequência para a qual o flyback foi projetado (assim como o transistor usado no seu acionador) é um largo e produtivo passo no projeto de um circuito de acionador de flyback.

Para a montagem, o primeiro passo é identificar o primário do flayback. Para isso devemos pegar o multímetro e colocarmos a chave na posição de menor resistência possível, ou na posição onde o multímetro emite um sinal sonoro.

Figura 2: Multímetro digital.

Figura 3: Pinos na base do flyback.

O flyback visto por baixo apresenta 10 pinos, a resistência entre pinos deve ser medida, sempre tomados de 2 a 2. O primário do flyback apresenta a menor resistência possível entre as possibilidades.

(22)

22

A combinação entre os pinos que apresentou a menor resistência elétrica neste caso foi do primeiro para o segundo

Figura 4: Medição da resistência do flyback.

Devemos lembrar também, que o flyback funciona como um transformador, e quando medimos os pinos de menor resistência estamos na verdade buscando a bobina com o menor número de voltas para ser o primário dessa ligação.

Identificado o primário do flyback, passaremos para a segunda parte. Devemos remover o reator da lâmpada florescente.

Figura 5: Reator de lâmpada fluorescente aberta.

Todos os fios que ligam o reator a estrutura da lâmpada deverão ser cortados. Podemos observar que existem dois fios que ligam o reator ao bocal, esses fios deverão ser ligados a uma extensão que deverá ser ligada a rede elétrica(127V ou 220V vide a especificação da lâmpada).

(23)

23 Figura 6: Extensão elétrica ligada ao reator.

Os outros quatro fios também deverão ser desconectados, desses quatro fios dois deverão ser ligados ao primário do flyback e os outros serão ignorados. Para descobrir quais são os fios s serem ignorados basta perceber quais pinos estão ligados ao capacitor do reator

Figura 7: Ligações do reator eletrônico.

Obs: A ligação entre dois pontos de solda vistos por baixo é feita através de um caminho verde escuro.

(24)

24

Esses dois pinos externos que não estão ligados ao capacitor deverão ser ligados ao primário do flyback.

Figura 8: Cabos de ligação conectados aos pinos externos.

Figura 9: Reator conectado ao flyback.

O flyback possui alguns fios, os fios mais finos podem ser ignorados ou até mesmo cortados. No fio de maior calibre, encontramos um conector que serve para liga-lo ao circuito interno da tv.

(25)

25 Figura 10: Conector do flyback

Este conector deve ser cortado e no seu lugar deveremos colocar um conector tipo jacaré.

Figura 11: Conector jacaré ligado ao flyback.

Com esse esquema pronto, já podemos ligar a extensão a rede elétrica para verificarmos onde se localiza o negativo do flyback.

(26)

26

Depois de conectarmos a extensão a rede elétrica, deveremos aproximar com cuidado o conector jacaré aos pinos abaixo do flyback. Iremos obter uma pequena centelha através de um dos pinos, este é o negativo que procuramos.

Figura 12: Centelha elétrica produzida pela ligação.

Um pedaço de fio deverá ser soldado neste pino, e na outra extremidade desse fio ligaremos outro conector jacaré.

Figura 13: Ligação do cabo com conector jacaré ao pino negativo do flyback.

A foto acima representa o esquema final do dispositivo usado para obter a tensão necessária para realizarmos as experiências.

(27)

27

Outra maneira possível de identificar o secundário do flyback seria medir a resistência entre o conector e os pinos da base, quando encontrarmos a maior resistência entre os pinos estaremos encontrando a bobina com o maior número de voltas, bobina esta que fornecerá a maior tensão.

O objetivo da primeira experiência é tornar visíveis as linhas de campo elétrico em torno de algumas configurações geométricas.

Para a realização dessa experiência precisaremos do prato transparente, óleo de cozinha e das sementes de erva doce e um pouco de sal para melhorar a condução do meio, dois parafusos pequenos e um tubo de silicone.

Figura 14: Prato transparente e parafusos.

Primeiro, devemos peneirar a semente de erva doce para obtermos menores grãos. Em seguida devemos colar os parafusos virados para cima com silicone. A distância entre os parafusos pode ser algo em torno de 5 cm.

Figura 15:Parafusos colados ao prato.

(28)

28

Depois que o silicone secar, deveremos colocar o óleo com uma pitada de sal no prato, e ligar o as garras de jacaré nas pontas dos parafusos. Em seguida ligaremos a extensão do flyback a rede elétrica e depois iremos salpicar as sementes de erva doce sobre o óleo.

Figura 17: Flyback conectado aos parafusos imersos no óleo.

Com o dispositivo ainda desligado a configuração observada será:

(29)

29

E depois de um tempo maior ligado e com mais algumas sementes:

Figura 19: Configuração final das linhas de campo.

Comparando com o modelo teórico ideal temos:

Figura 20: Modelo teórico ideal das linhas de campo ao redor de cargas puntiformes.

Um segundo modelo a ser experimentado seria um parafuso apenas e uma barra metálica.

(30)

30

Para a confecção da barra usamos uma lâmina serra partida em quatro pedaços iguais. As lâminas foram envolvidas com papel alumínio.

Figura 21: Pedaços de lâmina de serra

Figura 22: Lâminas envolvidas no papel alumínio

Logo em seguida um parafuso foi retirado e a lâmina presa ao conector jacaré e mergulhada no óleo.

(31)

31

Depois de alguns segundos:

Figura 24: Configuração final das linhas de campo.

Modelo teórico ideal:

Figura 25: Modelo teórico ideal das linhas de campo ao redor de uma carga puntiformes e uma barra carregada uniformemente, desprezando o efeito de borda.

O terceiro modelo a ser testado seria o de duas barras metálicas, para isso o segundo parafuso foi retirado do conjunto e no lugar dele foi colocado a segunda barra metálica. As duas barras foram conectadas cada uma a um conector jacaré e mergulhadas ao óleo.

(32)

32

Configuração inicial:

Figura 26: Configuração inicial das linhas de campo entre duas placas paralelas.

Depois de alguns segundos:

Figura 27: Configuração final das linhas de campo entre duas placas paralelas.

Figura 28: Modelo teórico ideal das linhas de campo entre duas placas paralelas, desprezando o efeito de borda.

(33)

33

O quarto modelo proposto envolve uma geometria circular. Para isso usamos um suporte metálico e circular utilizado para fritar ovos

Figura 29: suporte circular.

Predemos o conector jacaré, que está ligado ao positivo do flyback, no suporte da xícara e mergulhamos no óleo.

Configuração inicial:

(34)

34

Depois de alguns segundos após ligarmos o circuito.

Figura 31: Configuração final das linhas de campo ao redor de um anel carregado.

Figura 32: Modelo teórico ideal das linhas de campo ao redor do anel carregado.

Obs 1: Nessa última configuração devemos ligar o negativo do flyback em algum aterramento, podendo este ser a estrutura metálica da mesa onde o experimento está sendo realizado.

Obs 2: O aluno deverá ser estimulado a observar o não alinhamento dentro do condutor, e deve ser estimulado a criar hipóteses para essa observação experimental. Visando obter melhores resultados e presando pela segurança dos alunos, podemos sugerir uma nova montagem, que também visa a praticidade na utilização do experimento em sala de aula.

(35)

35

Com essa nova montagem conseguiremos obter uma tensão de saída maior, portanto o resultado será melhor no que diz respeito a formação mais nítidas das linhas de campo.

Materiais utilizados:

• Um drive flyback modelo KFT2AB118F XT 2005.01.08(porém pode ser substituído por qualquer outro modelo)

• Um interruptor tipo bastão

• Um transistor mosfet IRFZ44 com dissipador • Um resistor 220Ω e ½ W

• Fios de ligação de 1mm2

• Ferro de solda eletrônica • Solda de estanho

• Dois conectores tipo ‘jacarés’

• Óleo de cozinha, sal e sementes de erva doce • Uma fonte de tensão com saída de 5V 5A • Placas de acrílico

• Silicone

• Quatro parafusos e porcas ¼ x 2 polegadas • Uma caixa de mdf com tampa

O primeiro passo seria a ligação do flyback, com o fio de 1 mm2_{faremos uma}

bobina com 12 voltas em torno do seu núcleo e exatamente no meio da bobina vamos desencapar uma parte do fio e fazer uma ligação com um outro pedaço de fio. Essa ligação é conhecida como tap.

(36)

36 Figura 33: Bobina de 12 voltas com um tap central.

O próximo passo é identificar os pinos do mosfet. Segurando o componente com as especificações viradas para você, temos da esquerda para a direita: Gate, drain e source.

Figura 34: Desenho ilustrativo do mosfet com a identificação dos pinos.

O resistor deve ser ligado ao terminal correspondente ao ‘gate’, e a outra extremidade do resistor deve ser ligado ao terminal superior da bobina. O terminal que corresponde ao ‘drain’ será ligado a extremidade inferior da bobina. Um pedaço de fio deverá ser ligado ao terminal correspondente ao ‘source’ e a outra extremidade do fio deverá ser ligado ao terminal negativo da fonte de 5V.E por fim o fio que está ligado ao tap da bobina deverá ser ligado ao terminal positivo da fonte de 5V. Não devemos esquecer de prender o mosfet ao seu dissipador, pois sem ele poderá vir a superaquecer e queimar. O transistor se faz necessário pois se ligarmos uma fonte de corrente contínua ao flyback não conseguiremos obter tensão no secundário pois não haverá variação de fluxo magnético, então o transistor seria responsável por provocar

(37)

37

uma oscilação na corrente elétrica, o que consequentemente provocaria a variação de fluxo magnético.

Figura 35: Circuito final da ligação do flyback com especificação dos componentes.

Com o circuito alimentado, vamos aproximar o conector do flyback aos pinos que se encontram na base e iremos observar que um desses pinos produzirá uma centelha elétrica. A seguir, devemos retirar a alimentação e com um ferro de solda conectaremos um pedaço de fio ao pino que produziu a centelha.

Esse circuito deverá ser colocado no fundo da caixa de mdf e para que os componentes fiquem fixos podemos colar o flyback e o dissipador ao fundo da caixa com um pouco de silicone.

Nessa mesma caixa faremos quatro furos: Um na lateral, um na tampa e dois na frente da caixa.

(38)

38 Figura 36: Caixa de mdf com os furos.

Os fios correspondentes ao conector do flyback (positivo) e o que foi conectado ao pino que produziu a centelha (negativo) deverão passar pelos furos que se encontram na parte da frente da caixa, e logo em seguida um conector tipo jacaré deverá ser ligado em cada uma das pontas desses fios.

Figura 37: Positivo(conector) e negativo (fio conectado ao pino que produziu a centelha) saindo pelos furos da frente e com conectores tipo jacaré.

Pelo furo de cima vamos conectar o interruptor tipo bastão.

(39)

39 Figura 39: Interruptor tipo bastão visto por dentro da caixa.

Figura 40: Interruptor tipo bastão visto por fora da caixa.

O fio que sai do source do mosfet deverá sair pelo furo lateral e deverá ser identificado como negativo e o fio que sai do tap será ligado a um terminal do interruptor bastão e um outro fio deverá sair do outro terminal do interruptor e passará pelo mesmo furo na lateral e este será identificado como positivo.

(40)

40

A versão final da caixa se apresenta da seguinte forma:

Figura 42: Caixa com o circuito interno terminado.

Onde os fios laterais serão ligados a fonte de 5V com a polaridade correta. E entre os conectores tipo jacaré obteremos uma tensão de saída de aproximadamente 12KV ou mais.

O próximo passo seria a construção de um pequeno aquário de acrílico. As placas podem ser cortadas com qualquer tamanho, as especificações a seguir seriam apenas uma das possibilidades.

O corte do aquário foi o seguinte: • Duas placas retangulares de 25x20 cm • Duas placas retangulares de 20x3,5 cm • Duas placas retangulares de 24,5x3,5 cm

As placas podem ser cortadas com uma ferramenta conhecida como riscador. Sobre uma das placas de maior área, vamos começar colocando a peça de 20x3,5 cm, depois a de 24,5x3,5 cm e a seguir o procedimento deve ser repetido até que se feche o perímetro do aquário. A placa pode ser fixada com uma cola tipo adesivo instantâneo, porém o silicone não poderá deixar de ser passado em torno de todas as junções para que não ocorra o vazamento do óleo.

(41)

41

A outra placa de maior área será a tampa, nesta devemos fazer dois furos com uma distância de mais ou menos 12 cm. O furo pode ser feito com alguma chave de fenda previamente aquecida. Sobre os furos devemos colar as porcas de forma que o centro do furo e o centro da porca sejam coincidentes, portanto, o diâmetro do furo deverá ser menor que o diâmetro da porca. Em seguida os dois parafusos serão rosqueados na porca até que encostem no fundo do aquário.

Figura 43:Aquário de acrílico pronto com os parafusos.

(42)

42

Essa configuração servirá para a demonstração das linhas de campo ao redor de cargas pontuais. E para que possamos observar o campo ao entre as placas paralelas devemos pegar os pedaços da lâmina de serra e colar com adesivo instantâneo na fenda dos outros dois parafusos.

Figura 45: Pedaço de lâmina colada na fenda do parafuso.

(43)

43

Com o circuito na caixa, o aquário pronto e os suportes que podem ser trocados, terminados, ficaram com a seguinte configuração:

Figura 47: Configuração final do circuito com a fonte de alimentação e o aquário.

As vantagens dessa segunda configuração são diversas, dentre elas podemos citar que o experimento se torna mais prático pra ser feito em sala de aula e também muito mais seguro em relação a manipulação com a alta tensão.

Um problema que encontramos muitas vezes quando buscamos realizar experimentos de eletrostática é encontrar uma boa fonte de tensão onde seja possível alimentar os dispositivos e observar os fenômenos. Apesar do objetivo principal nessa monografia ser a observação das linhas de campo elétrico, não podemos deixar de citar que a caixa com o circuito do flyback funciona como uma excelente fonte de tensão e, portanto, diversos outros experimentos podem ser realizados com este dispositivo. Vamos citar pelo menos mais um experimento simples onde a fonte de alta tensão pode ser utilizada.

O experimento tem como objetivo mostrar a diferença entre condutores e isolantes e para isso vamos precisar da seguinte lista:

• Dois pedaços de tubo pvc • Folhas de papel alumínio

(44)

44

O primeiro passo seria envolver os dois pedaços de pvc com papel alumínio. Em seguida vamos colocar os dois tubos em contato, um dos prendedores ‘jacaré’ deverá ser preso a um dos tubos enquanto o outro prendedor deverá ser aproximado do tudo que não está diretamente conectado, nesse momento podemos notar que surge uma centelha elétrica ligando o tubo ao prendedor que se aproxima.

Figura 48: Tubos pvc envolto em papel alumínio e o surgimento da centelha devido a aproximação do conector.

A experiência deve ser refeita, porém o envoltório de alumínio deve ser retirado de um dos canos, nesse caso a centelha elétrica não surgirá.

Figura 49: Um dos tubos sem o papel alumínio e o não surgimento da centelha devido a aproximação.

O professor deverá estimular o aluno a criar hipóteses que expliquem esse tipo de comportamento observado no experimento.

Com o experimento citado e com as concepções alternativas dos alunos, o professor deverá orientar e confrontar possíveis contradições nas hipóteses que ele

(45)

45

recebeu dos alunos para que o próprio possa chegar a conclusão sobre o melhor modelo científico que explicaria a diferença entre condutores e isolantes.

O experimento acerca de linhas de campo foi aplicado em três situações diferentes:

• Em uma turma de EJA noturno da rede pública em São Gonçalo. (Aluno 1) • Em uma turma do ensino regular da rede particular de São Gonçalo

• Em uma turma de pré-vestibular da rede particular em Niterói, onde os alunos já deveriam ter um conhecimento prévio do conteúdo.

Com exceção da segunda turma, um pequeno conteúdo prévio acerca das cargas elétricas, forças e campos de forma geral, sem entrar no mérito das linhas de campo pois seria o alvo das experiências, foi exposto aos alunos para que tivessem o conteúdo necessário mínimo para a interpretação do experimento.

A partir disso foram distribuídas três folhas com desenhos de distribuição de cargas diferentes para os alunos. Na primeira folha existiam apenas dois pequenos círculos, um com um símbolo positivo e o outro com o negativo. Então foi pedido aos alunos que desenhassem linhas que representassem esse campo de acordo com suas previas concepções.

Aqui estão três resultados que gostaria de destacar, um de cada turma:

Figura 50: Concepção alternativa acerca das linhas de campo ao redor de duas cargas puntiformes. (Aluno 1)

(46)

46 Figura 51: Concepção alternativa acerca das linhas de campo ao redor de duas cargas puntiformes. (Aluno 2)

Figura 52: Concepção alternativa acerca das linhas de campo ao redor de duas cargas puntiformes. (Aluno 3)

Em seguida, outra folha foi entregue com uma nova distribuição de cargas. Cargas positivas se distribuíam ao longo de uma barra e um pequeno círculo que continha um sinal negativo. Os resultados apresentados foram:

Figura 53: Concepção alternativa acerca das linhas de campo ao redor de uma barra carregada uniformemente e uma carga puntiforme. (Aluno 1)

(47)

47 Figura 54: Concepção alternativa acerca das linhas de campo ao redor de uma barra carregada

uniformemente e uma carga puntiforme. (Aluno 2)

Figura 55: Concepção alternativa acerca das linhas de campo ao redor de uma barra carregada uniformemente e uma carga puntiforme. (Aluno 3)

E a última distribuição foi feita através de duas barras, onde uma existia a distribuição positiva de cargas e a outra uma distribuição negativa. Estes são os resultados apresentados:

(48)

48 Figura 56: Concepção alternativa acerca das linhas de campo ao redor de duas barras carregadas

uniformemente. (Aluno 1)

Figura 57: Concepção alternativa acerca das linhas de campo ao redor de duas barras carregadas uniformemente. (Aluno 2)

Figura 58: Concepção alternativa acerca das linhas de campo ao redor de duas barras carregadas uniformemente. (Aluno 3)

Com os resultados em mãos, o experimento foi iniciado, as configurações foram realizadas na mesma ordem que as das folhas distribuídas.

(49)

49

A primeira foi com os dois parafusos conectados aos terminais positivo e negativo do circuito flyback.

Figura 59: Experimento realizado em uma das aulas.

Após a observação os alunos refizeram o desenho. Os resultados foram:

Figura 60: Desenho refeito após demonstração experimental (aluno 1)

(50)

50

A próxima configuração foi um parafuso com a barra colada na ponta e o outro sem.

Figura 63: Experimento realizado em uma das aulas.

(51)

51 Figura 65: Desenho refeito após demonstração experimental (aluno 2)

E a última configuração foi entre duas barras. Agora o parafuso sem barra foi retirado e no lugar dele foi colocado o segundo com a barra.

(52)

52

Esquemas refeitos pelos alunos:

(53)

53 Figura 70: Desenho refeito após demonstração experimental (aluno 3)

(54)

54 CONCLUSÃO

Este trabalho me permitiu constatar a importância que experimentos relativamente simples podem ter no processo de aprendizado de física. A exposição aos fenômenos físicos estimula a curiosidade dos estudantes.

A análise conjunta dessas observações pode ser trabalhada para promover reflexões e discussões que contribuem para dúvidas, permitindo que os próprios estudantes construam seus conhecimentos. Quando eles formulam seus próprios modelos, defendem suas ideias e chegam às suas próprias conclusões o aprendizado torna-se muito mais sólido.

(55)

55 REFERÊNCIAS

LINHAS DE FORÇA – BRASIL ESCOLA. Disponível em:

https://brasilescola.uol.com.br/fisica/linhas-forca.html. Acesso em 17 jan. 2019.

FORÇA ELETRICA E CAMPO ELÉTRICO- LEI DE COULOMB – UOL

EDUCAÇÃO. Disponível em:

https://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/forca-eletrica-e-campo-eletrico-lei-de-coulomb.html. Acesso em 17 jan. 2019.

CONDUDOR EM EQUILIBRIO ELETROSTÁTICO – AULA PARA O VESTIBULAR - EDUCABRAS.COM. Disponível em:

https://www.educabras.com/enem/materia/fisica/corrente_eletrica/aulas/condutor_em _equilibrio_eletrostatico. Acesso em 17 jan. 2019.

HOW TO USE MOSFET – BEGINNER´S TUTORIAL. Disponível em:

https://oscarliang.com/how-to-use-mosfet-beginner-tutorial/. Acesso em 17 jan. 2019.

CONTRIBUIÇÕES E ABORDAGENS DAS ATIVIDADES EXPERIMENTAIS NO ENSINO DE CIÊNCIAS: REUNINDO ELEMENTOS PARA A PRÁTICA DOCENTE.

Disponível em:

http://w3.ufsm.br/laequi/wp- content/uploads/2015/03/contribui%C3%A7%C3%B5es-e-abordagens-de-atividades-experimentais.pdf. Acesso em 17 jan. 2019.

ENSINO POR INVESTIGAÇÃO: PROBLEMATIZANDO AS APRENDIZAGENS EM UMA ATIVIDADE SOBRE A CONDUTIVIDADE ELÉTRICA – NÚCLEO DE

TECNOLOGIA EDUCACIONAL PARA A SAÚDE – NUTES/UFR. Disponível em: http://www.nutes.ufrj.br/abrapec/ixenpec/atas/resumos/R0600-1.pdf. Acesso em 17 jan. 2019.

Junior, Sergio Augusto dos Santos, Demonstrando fenômenos eletrostáticos

através de atividades experimentais. 2012. 46f. Trabalho de conclusão de curso –