Pilha de Volta. 3. Relação com o conhecimento anterior do aluno

Transcrição

1 Pilha de Volta Maria Helena 1. Introdução No 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

2 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.

3 Para que ocorra este entendimento vamos montar um quebra-cabeça no qual há peças com o símbolo (Zn +2 ), (Cu +2 ), (ZnSO 4 ),(CuSO 4 ),(SO 4-2 ) 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

4 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.

5 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.

6 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.

7 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.

8 - 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.