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1 UNIVERSIDADE CATÓLICA DE BRASÍLIA PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO Curso de Física INSTRUMENTOS E COMPONENTES ELETRO-ELETRÔNICOS NAS AULAS DE FÍSICA NO ENSINO MÉDIO Autor: Natércia Silva Matos Orientador: Prof. Dr. Paulo Eduardo de Brito BRASÍLIA 2007

2 NATÉRCIA SILVA MATOS INSTRUMENTOS E COMPONENTES ELETRO-ELETRÔNICOS NAS AULAS DE FÍSICA NO ENSINO MÉDIO Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Universidade Católica de Brasília para obtenção do Grau de Licenciado em Física. Orientador: Dr. Paulo Eduardo de Brito Brasília Junho de 2007

3 Quem ouve, esquece; quem lê, aprende; quem faz, sabe. Provérbio chinês 2

4 RESUMO Este projeto traz como proposta 5 experimentos que utilizam componentes elétricos e eletrônicos tais como resistor, capacitor, diodo e instrumentos eletrônicos como o protoboard e o multímetro digital nas aulas de eletricidade da disciplina de física para estudantes do 3º ano do Ensino Médio. O objetivo deste projeto é auxiliar os professores de física, aliando teoria e experimentação dando oportunidade para os estudantes se sentirem inseridos, participativos neste mundo de tecnologias que surgem todos os dias. Este projeto não tem o objetivo em formar técnicos em eletrônica, nem se apresenta como proposta acabada, porém, é uma maneira de introduzir componentes elétricos e eletrônicos em sala de aula aliando a teoria física à experimentação e a tecnologia, a simbologia dos componentes com os respectivos componentes utilizados. Palavra-chave: componentes e instrumentos eletro-eletrônicos, tecnologia e experimentação no ensino de física. 3

5 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ASPECTOS METODOLÓGICOS ATIVIDADES EXPERIMENTAIS DISCUSSÃO DAS ATIVIDADES EXPERIMENTAIS Primeiro experimento (Utilização do Protoboard e do multímetro digital): Segundo experimento (Lei de Ohm): Terceiro experimento (Associação de resistores): Quarto experimento (Carga e descarga de um capacitor através de um resistor) Quinto Experimento (Curva característica do diodo) CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO ANEXO ANEXO

6 1 INTRODUÇÃO A busca pela qualidade do ensino de um modo geral, faz surgir novas formas de abordar os conteúdos didáticos com uma proposta de fazer com que os alunos compreendam tais conteúdos e despertem o senso crítico diante das constantes evoluções científicas e sociais que ocorrem na sociedade. A preocupação em relacionar a física com o cotidiano do aluno tem sido visível há bastante tempo. Após a 2º Guerra Mundial a ciência passa a ser questionada, há descrença se os frutos que a ciência produz são realmente bons. O descontentamento da sociedade com muitas inovações tecnológicas, leva, então, essa mesma sociedade a querer ter conhecimento sobre essa tecnologia, onde ela poderia ser útil? A sociedade passa a querer saber para poder tomar decisões. Surgem movimentos como exemplo o CTS (ciência, tecnologia e sociedade) em 1980 no cenário educacional norte-americano, com o objetivo de formar indivíduos alfabetizados em ciências que entendam como ciência, tecnologia e sociedade influenciam uma na outra e capazes de identificar qual tecnologia é melhor para o seu bem estar social hoje e futuramente, relacionando a ciência aprendida com problemas do dia-a-dia. Segundo Cruz e Zylbersztajn (2001) em 1980 a NSTA (National Science Teachers Association) anunciou oficialmente CTS com meta central para a educação em ciência na década. Para Yager: O objetivo da educação em ciência durante os anos 80 é desenvolver indivíduos alfabetizados em ciência que entendam como ciência, tecnologia e sociedade influenciam uma a outra e que são capazes de usar seu conhecimento nas decisões cotidianas. A pessoa cientificamente alfabetizada possui um conhecimento substancial de fatos, conceitos, redes conceituais, e habilidades de processo que permitem ao indivíduo aprender logicamente. Esse indivíduo tanto aprecia o valor da ciência e tecnologia na sociedade como entende suas limitações (Yager, apud Cruz e Zylbersztajn, 2001, p. 179). A preocupação em ensinar ciência aplicada ao cotidiano dos alunos faz com que se busquem alterações metodológicas para adaptar os conteúdos de forma que estes sejam abordados e relacionados com as mudanças e avanços tecno-científicos e como esses avanços podem contribuir de forma positiva ou negativa na sociedade em que vivem. Dessa forma é interessante que o ensino de Física aborde temas que sejam realmente significativos na vida dos estudantes para que estes estudantes relacionem os conceitos físicos aprendidos em sala de aula com o seu cotidiano. Os parâmetros Curriculares Nacionais para o ensino Médio (PCN, 1999, p. 107) propõem que o ensino de ciências deve propiciar ao educando compreender as ciências como construções humanas, entendendo como elas se desenvolvem por acumulação, relacionando o desenvolvimento científico com a transformação da sociedade. 5

7 Este trabalho tem uma proposta de contribuir com parte dos objetivos destas reivindicações, na tentativa de auxiliar os professores a desenvolver um educando capaz de compreender os avanços tecnológicos atuais e atuar de forma consciente e responsável na sociedade. 2 ASPECTOS METODOLÓGICOS Este trabalho teve uma abordagem na utilização da experimentação no Ensino de Física utilizando componentes elétricos e eletrônicos tais como o resistor, capacitor, diodo e instrumentos eletrônicos como protoboard e multímetro digital, abordando mais os conceitos físicos. Essa forma foi escolhida, pois através da experimentação com elementos que fazem parte do cotidiano dos alunos os estudantes poderão relacionar a teoria física com a prática, verificando e comprovando leis físicas, aprendendo a manusear os instrumentos e componentes eletro-eletrônicos, além de facilitar o entendimento das propriedades físicas de componentes como os resistores, capacitores e diodos, permitindo que os estudantes assimilem de maneira correta os conceitos físicos. O objetivo deste projeto é aliar a teoria física com a experimentação utilizando material elétrico e eletrônico de fácil acesso, para que estudantes possam relacionar a teoria com a prática, verificando e comprovando leis físicas, aprendendo a utilizar e manusear o material das atividades. É sabido que muitos estudantes que terminam o ensino médio e estudaram resistências elétricas, associação de resistores, propriedades dos capacitores, associação de capacitores, fizeram muitos exercícios utilizando a simbologia destes dispositivos elétricos, no entanto são pouquíssimos os que vêem relação desta simbologia com o dispositivo real. Olhando por este lado, é importante que a teoria, os símbolos dos materiais estejam em sintonia com a experimentação ou mesmo na demonstração dos componentes reais, fazendo sempre a relação entre o símbolo do componente com o real, para que o estudante veja o equipamento e associe ao símbolo e vice-versa. Segundo Araújo: Mesmo as atividades de caráter demonstrativo, amplamente utilizado pelos autores pesquisados e que visam à ilustração de diversos aspectos dos fenômenos estudados, podem contribuir para o aprendizado dos conceitos físicos abordados na medida em que essa modalidade pode ser empregada através de procedimentos que vão desde uma mera observação de fenômenos até a criação de situações que permitam uma participação mais ativa dos estudantes, incluindo a exploração dos seus conceitos alternativos de modo a haver maiores possibilidades de que venham a refletir e reestruturar esses conceitos (ARAÚJO, 2003, p.190). Os materiais elétricos e eletrônicos estão presentes em toda parte, o que leva a crer que trabalhar conceitos físicos que utilizem tais materiais deixará o estudo mais significativo e qualificativo para o educando, pois os estudantes vivem cercados de tecnologias como: 6

8 radio, computador, som, Tv, celulares etc, e muitas vezes não conseguem relacionar os conceitos estudados em física com as tecnologias. Na maioria das vezes, apenas a relação do símbolo com a gravura do dispositivo real encontrado nos livros didáticos não tem sido motivador o suficiente para que o aluno faça relação com as tecnologias presentes no seu dia-a-dia. Neste trabalho são apresentados 3 componentes eletro-eletrônicos, o resistor, o capacitor e o diodo e 2 instrumentos eletro-eletrônicos, o protoboard e o multímetro digital. Com estes materiais são apresentados 5 experimentos simples para serem trabalhados conceitos de eletricidade (corrente elétrica, tensão elétrica, resistência elétrica, potência elétrica, associação de resistores, circuito de tempo etc) e com o uso do diodo, pode-se abordar tópicos de Física Moderna. Com os 3 componentes eletro-eletrônicos apresentados neste trabalho é possível fazer diversas montagens, circuitos elétricos variados apresentando certas propriedades. Neste projeto são apresentados experimentos com cada um dos componentes: resistor, capacitor, diodo e um para utilização do protoboard e multímetro digital. Para introduzir os componentes e os instrumentos eletro-eletrônicos é importante que os alunos conheçam e aprendam a manuseá-los. Dessa forma, no primeiro anexo é feito à apresentação dos instrumentos e componentes eletro-eletrônicos usados nas atividades experimentais explicando o funcionamento e o modo de utilizar cada um deles. No segundo anexo encontra-se os roteiros das 5 atividades experimentais. A introdução da Física Moderna no Ensino Médio tem se mostrado um desafio. Utilizando componentes eletrônicos pode-se incorporar assuntos, tópicos, dessa matéria, pois com os avanços tecnológicos, muitos componentes dos aparelhos foram trocados ou mudados, como exemplo pode-se citar as válvulas diodos que eram utilizadas em rádio, TV para retificar a corrente elétrica, permitindo sua passagem em apenas um sentido, mas para isto, precisavam de uma fonte de alta tensão e um certo tempo para se aquecerem, além de serem grandes e pesadas. Dessa forma, com o conhecimento das propriedades do germânio, silício, carbono que caracterizam os semicondutores, foram apresentados novos aparelhos, menores, mais leves que faz o uso destes elementos semicondutores. O modelo de condução elétrica da Física Clássica já não seria suficiente para explicar o novo comportamento destes elementos semicondutores, este novo modelo será baseado na Física Quântica. O diodo é um componente eletro-eletrônico que possui propriedades explicadas pela física quântica. No terceiro anexo encontra-se à parte da teoria de bandas que oferece informações sobre as propriedades físicas do diodo. 7

9 Os componentes eletro-eletrônicos apresentados na primeira parte dos anexos (anexo 01) e utilizados nas atividades experimentais fazem parte de todos os computadores, periféricos e circuitos eletrônicos de uso geral como televisores, amplificadores, rádios etc. O protoboard e o multímetro são materiais necessários em todos os experimentos propostos, dessa forma é necessária atenção redobrada com estes dois instrumentos. 3 ATIVIDADES EXPERIMENTAIS Segundo Borges (2002) Os professores de ciências, tanto do ensino fundamental como no ensino médio, em geral acreditam que a melhoria do ensino passa pela introdução de aulas práticas no currículo, no entanto ao se falar em trabalho experimental, muitos professores não sabem por onde começar e o que fazer (Lopes, 2002). Como integrar as atividades práticas no currículo sem que se tenha a sensação de perda de tempo? Sabe-se que o uso de atividades experimentais não é solução para os problemas relacionados com a aprendizagem em Física, mas é um recurso que quando bem utilizado pode ajudar na compreensão dos conceitos teóricos aplicados em sala de aula, pois oferece a oportunidade para que os alunos interajam com as montagens e instrumentos utilizados na prática a ser desenvolvidas. É importante que o professor deixe claro o objetivo pretendido na atividade experimental fazendo a análise e interpretação dos resultados e do significado da atividade realizada. Nas atividades experimentais o professor atuando como mediador deve estar atento às concepções alternativas dos estudantes, assim a discussão antes e depois sobre a experimentação é eficaz, pois a confrontação de idéias fará os estudantes perceberem seus erros e acertos optando por idéias e teorias com fundamentação mais consistente. Desse modo, antes de realizar a atividade prática, deve-se discutir com os estudantes a situação ou fenômeno que será tratado. Pode-se pedir para que eles escrevam suas previsões sobre o que deve acontecer e justificá-las. Na fase pós-atividade, faz-se a discussão das observações, resultados e interpretações obtidos, tentando reconciliá-las com as previsões feitas. Discutindo possíveis falhas e limitações do experimento. Entre muitos dos objetivos da atividade experimental pode-se citar: Verificar, observar, medir, experimentar, comprovar leis e teorias; Ensinar o método científico; Relação da teoria com a experimentação, confrontação dos enunciados teóricos com os resultados experimentais; Facilitar a aprendizagem e compreensão dos conceitos; 8

10 Ensinar habilidades práticas. A experimentação é importante para assimilação dos conceitos físicos, pois o aluno através da experimentação poderá manusear observar, investigar, despertando a curiosidade de compreender o funcionamento dos dispositivos eletrônicos, podendo ver a relação do que foi estudado nas aulas com materiais utilizados no seu dia-a-dia. As atividades práticas podem ser organizadas de diversas maneiras, desde experimentações até atividades prática experimentais dirigidas diretamente, através de um roteiro. A discussão das cincos atividades experimentais (no segundo anexo encontra-se os roteiros destas atividades práticas) simples é feita a seguir. 4 DISCUSSÃO DAS ATIVIDADES EXPERIMENTAIS 4.1 Primeiro experimento (Utilização do Protoboard e do multímetro digital): No primeiro experimento proposto o principal objetivo é ensinar habilidades práticas. Com esta atividade experimental os estudantes irão aprender a utilizar e manusear o protoboard e o multímetro digital. O protoboard e o multímetro são instrumentos eletroeletrônicos essências em todos os experimentos apresentados neste trabalho. O multímetro digital é um instrumento amplamente utilizado na eletrônica, é usado na engenharia elétrica, mecânica, na medicina, na física, enfermagem etc. Sendo assim, é interessante o aluno ter a oportunidade de aprender a utilizá-lo, pois poderá precisar utilizá-lo futuramente. Segundo Millar (apud BORGES, 2002, p. 297) existe um conjunto de habilidades práticas ou técnicas básicas de laboratório que vale a pena ser ensinada. Por exemplo, aprender a usar equipamentos e instrumentos específicos, medir grandezas físicas e realizar pequenas montagens são coisas que dificilmente o estudante tem oportunidade de aprender fora do laboratório escolar. Este primeiro experimento é fácil de ser realizado. O estudante poderá encontrar dificuldade no uso do protobord. Qual ponto está ligado com qual outro ponto? Como fazer ligações em série, em paralelo usando este instrumento? São perguntas que poderá surgir, no entanto com a prática e o estudo deste instrumento mostrará a facilidade que é trabalhar com este aparelho. Esta atividade permite que o estudante observe, aprenda a manusear os instrumentos elétricos, verificado as propriedades da associação de geradores elétricos em associações em série e em paralelo. Assim, técnicas de investigação, também, estarão 9

11 sendo colocadas em prática como: repetir procedimentos para aumentar a confiabilidade dos resultados obtidos, aprender a coletar e obter informações de diferentes formas de representações como diagramas, esquemas, tabelas etc. Nesta atividade o aluno poderá fazer a relação do aprendido na aula com materiais encontrados em casa, como exemplo: o tipo de associação de pilhas feitas no controle remoto, o tipo de associação de pilhas feitas em uma lanterna de mão, poderá perceber as diferenças entre os dois tipos de associações que é feita em uma lanterna com as do controle remoto. Aprendendo, a verificar qual tipo de associação é mais útil em uma determinada aplicação fazendo uma escolha mais apropriada de acordo com a necessidade. 4.2 Segundo experimento (Lei de Ohm): No segundo experimento proposto o objetivo principal é verificar, comprovar leis e teoria cientifica. É interessantes que o professor enfatize as diferenças entre os experimentos realizados em sala de aula, com fins pedagógicos, e as experimentações feitas pelos os cientistas. Devendo encorajar as discussões aberta das limitações e suposições que surgem durante a realização do experimento, pois nem sempre os resultados encontrados na atividade experimental serão iguais ao teórico. Na maioria dos casos encontram-se fontes de erro que interferem nos resultados finais, no entanto, o importante é que se analisem as causas do erro, dando mais importância ao processo que ao resultado final. De acordo com o Gref (2002, p. 62) um condutor metálico é denominado ôhmico quando a resistência elétrica não depende da tensão nem da corrente para uma certa faixa de temperatura. Neste segundo experimento aumentando a tensão elétrica de 2 em 2 Volts como foi proposta, se for utilizado resistores com resistências menores que 400 Ω, percebe-se, depois de algumas medidas, aquecimento nos resistores provocando variação da resistência elétrica. Dessa forma, para esta variação de tensão elétrica na fonte, é melhor utilizar resistores com resistências maiores que 400 Ω, assim obterá resultados melhores. Outra maneira seria utilizar voltagens e correntes menores, assim poderia se utilizar resistências menores. 4.3 Terceiro experimento (Associação de resistores): No terceiro experimento proposto o objetivo principal é facilitar a aprendizagem e compreensão de conceitos e ensinar habilidades práticas. 10

12 É interessante que se façam atividades antes e depois da experimentação, para que os estudantes exponham suas idéias e expectativas e discutam o significado de suas observações e interpretações. Antes de realizar a atividade prática, pode-se discutir com os estudantes situações ou fenômenos que serão tratados durante a experimentação. Depois de realizado o experimento é bom que se faça a discussão das observações, resultados e interpretações obtidos, tentando reconciliá-las com as previsões feitas. Neste terceiro experimento as fontes de erros são bem visíveis principalmente na associação de resistores em paralelo, onde a resistência equivalente do circuito diminui e as resistências internas dos aparelhos utilizados nas medidas interferem nos resultados. São encontradas fontes de erro em todo o circuito como: aquecimento nos resistores que dissipa energia e há uma variação da resistência destes resistores, a resistência interna do multímetro digital e também da escala do multímetro escolhida para fazer as medições, a resistência dos fios utilizados nas conexões interferem no circuito etc. Deve-se analisar as fontes de erros do experimento, pois conhecendo os erros mais prováveis pode-se diminuí-los fazendo escolhas mais apropriada quando for realizar a experimentação, por exemplo: o tamanho do fio usado interfere no resultado final (quanto mais comprido é o fio maior a resistência), então o melhor é utilizar fios menores, resistores de resistências elétricas baixas, ou seja, menores que 100Ω aquecem rapidamente, variando sua resistência etc. É importante não manipular os dados na tentativa de encontrar dados experimentais iguais aos dados teóricos e sim observar, analisar o processo experimental. Lembrando que nesta atividade pode haver uma variação de até 5% nos resultados devido à tolerância dos componentes utilizados no circuito elétrico. É interessante que o professor discuta as falhas e limitações das atividades proposta. 4.4 Quarto experimento (Carga e descarga de um capacitor através de um resistor) No quarto experimento proposto o objetivo é facilitar a aprendizagem e compreensão de conceitos e verificar a teoria científica através do experimento. Atividades antes e depois da realização do experimento são necessárias para que os estudantes exponham suas idéias e expectativas, depois do experimento é bom que se faça a discussão aberta das limitações e suposições que permeiam esta atividade experimental. Esta atividade experimental é interessante ser realizada depois que o estudante aprenda a teoria sobre as propriedades e constituição dos capacitores, realizando uma discussão inicial sobre as expectativas dos estudantes com relação a atividades proposta. O educador pode tentar problematizar a atividade experimental, perguntas simples como: O 11

13 que acontecerá com o brilho do led logo após o capacitor ser inserido no circuito elétrico e a chave ser fechada? Depois de um longo que o capacitor foi inserido no circuito o que acontece com o brilho do led? São exemplos de perguntas que dá para serem feitas pelo professor e respondidas pelos alunos antes do experimento para confrontações depois da atividade experimental que poderá ajudar na qualidade do entendimento sobre as propriedades dos capacitores. Esta atividade prática é uma atividade que os estudantes no seu dia-a-dia se deparam com ela. Eles mesmos poderão depois fazer esta atividade em casa para utilizá-la como um identificador de interruptor ou quando precisar de uma carga de energia que a associação de baterias não pode oferecer no momento, pode-se utilizar este tipo de circuito. Pode-se encontrar este circuito de tempo em câmeras fotográficas, nos computadores, em desfribiladores cardíacos, em marcapassos etc. É uma atividade que o estudante tem a oportunidade de manusear os equipamentos e depois poderão relacionar a prática, com a teórica e, também, com outros tipos de circuitos elétricos. 4.5 Quinto Experimento (Curva característica do diodo) No quinto experimento proposto o objetivo principal é facilitar a aprendizagem e compreensão de conceitos físicos através da análise do experimento. Esta é uma atividade experimental que dá espaço para o professor abordar temas de Física Moderna, pois o diodo possui propriedades que a Física Clássica não explica e é um importante componente utilizado na eletrônica e microeletrônica. A atividade principal é levantar a curva característica do diodo, isto é, como é a sua resposta quando submetido a diferentes valores de potencial elétrico em seus terminais. O diodo é um componente eletrônico feito de dois tipos diferentes de semicondutores dopados que possui a propriedade básica de não conduzir corrente elétrica em um sentido e de conduzir no outro sentido apenas após vencer uma barreira de potencial. Aplicam-se o processo de medida à pelo menos dois tipos de diodo, o diodo retificador de silício e o LED (Diodo emissor de luz). Com os valores obtidos para o caso de LED, pode-se obter uma estimativa da constante de Plank ( ), constante universal que apareceu na quantização das grandezas no mundo microscópico. Dessa forma, dependendo do enfoque, objetivo e extensão de estudo pretendidos pelo professor ele poderá tratar o tema de semicondutores, e conseqüentemente a física quântica, pode ser explorada de forma prática para os alunos de ensino médio. 12

14 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS Uma parte significativa da dificuldade no aprendizado de Física no Ensino Médio é devido ao distanciamento que se estabelece quando o aluno se depara com conceitos abstratos que ele não consegue relacionar com o cotidiano. Existe uma significativa variedade de estratégias no ensino de física usando atividades experimentais, desde atividades experimentais tradicionais até atividades experimentais investigativas. Tamir (apud BORGES, 2002, pg. 296) informa que nas atividades experimentais tradicionais os estudantes dedicam pouco tempo à análise e interpretação dos resultados e do próprio significado da atividade realizada. Em geral, eles percebem as atividades práticas como eventos isolados onde o objetivo é chegar à resposta certa. Por outro lado, segundo Lopes (2002, p. 246) as atividades experimentais independentemente da sua tipologia, sempre foram um tipo de atividade a ter em conta no ensino. Dessa forma, mesmo as atividades experimentais de caráter tradicional que têm sido alvo de críticas podem ser enriquecidas se forem bem trabalhadas pelo professor que pode adotar uma postura mais flexível, possibilitando a discussão que levem o educando a refletir sobre o fenômeno estudado, havendo planejamento e clareza dos objetivos das atividades propostas, discutindo e analisando o processo das atividades experimentais. Estas atitudes podem contribuir muito para um aprendizado mais significativo dos conceitos físicos analisados. O resistor, capacitor e o diodo, utilizados nos experimentos deste trabalho são componentes eletro-eletrônicos encontrados nos computadores, rádios, televisores, celulares, etc. A utilização destes dispositivos simples irá auxiliar o educando a compreender os avanços tecnológicos e atuar de forma consciente e com responsabilidade na sociedade. As atividades propostas deste trabalho podem ser posteriormente aplicadas para verificação se as atividades aqui propostas são factíveis ou não, o professor futuramente poderá desenvolver atividades investigativas utilizando estes componentes elétricos, introduzindo novos componentes. É importante ressaltar que para os alunos poderem criar situações novas com estes componentes, eles devem primeiro conhecê-los e saber como manuseá-los. Por conta disto a proposta deste trabalho é a introdução do uso e do estudo destes componentes. Encontra-se neste trabalho três anexos. No primeiro anexo tem-se a descrição dos instrumentos elétricos e eletrônicos e dos componentes. A descrição é feita de forma simples, buscando ressaltar pontos importantes para realização dos experimentos, buscou-se uma linguagem que não fosse tão técnica, 13

15 mas de fácil entendimento para que uma pessoa que não entenda de eletrônica após a leitura consiga utilizar os instrumentos elétricos e os componentes corretamente. No segundo anexo tem-se os roteiros experimentais, foram elaborados 5 atividades experimentais simples utilizando os componentes elétricos e os instrumentos eletrônicos com o objetivo de introduzir estes materiais nas aulas de física na perspectiva de que ao aprender a manuseá-los os estudantes possam levar estes conhecimentos para além das salas de aula. Com o aprendizado de como se utilizar estes instrumentos e os componentes o professor, então poderá introduzir roteiros experimentais mais abertos (investigativo) com estes componentes e instrumentos, podendo introduzir novos aparelhos e componentes elétricos futuramente. No terceiro anexo tem-se uma parte explicativa sobre a teoria de bandas de energia. Na quinta atividade experimental, o experimento utiliza um componente muito importante na eletrônica, o diodo. O diodo é um componente que tem propriedades explicadas pela teoria de bandas de energia. Dessa forma, de acordo com a abordagem, extensão de estudo que o educador pretenda alcançar pode-se tratar temas de Física Moderna utilizando a quinta atividade experimental. O texto sobre teoria de bandas trás explicações sobre o comportamento das propriedades físicas do diodo. As atividades experimentais utilizando instrumentos elétricos e componentes eletrônicos a princípio parecem complicadas pelo grande número de detalhes a ser verificados antes de realizar o experimento, pelo tempo para preparação das atividades, questionamentos, erros etc. No entanto, os estudantes vivem cercados com computadores, celulares, controle remoto, vários tipos de circuitos em casa e, então, poderão aprender a manusear os instrumentos elétricos e os componentes mais rápido do que o esperado. Este projeto poderá futuramente ser aplicado para verificação se introduzir material elétrico e eletrônico nas aulas de eletricidade é factível ou não. 14

16 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARAÚJO, M.S.T.; ABIB, M.L.V.S.; Atividades Experimentais no Ensino de Física Diferentes Enfoques, Diferentes Finalidades. Ver. Brás. Fís., v. 25, nº2, pg. : , jun BRAGA, Newton C. Curso Básico de Eletrônica. Editora: Saber Ltda. 4 edição BRASIL, Secretaria de Educação Média e Tecnologia. Parâmetros Curriculares Nacionais: ensino médio. Brasília: MEC, BERTOLI, Roberto Ângelo. Eletrônica. Departamento de eletro-eletrônica, colégio técnico de Campinas UNICAMP. Volume BORGES, A. Tarciso. Novos Rumos para o Laboratório Escolar de Ciências. Caderno Brasileiro de Ensino em Física. V.19, nº. 3, pg.: , dez COELHO, Suzana Maria; NUNES, Antônio Dias. O Papel da Experimentação no Ensino de Física. Disponível em: <http://www.fsc.ufsc.br/ccef/port/20-1/artpdf/a2.pdf>. GREF. Física 3: Eletromagnetismo. 5ª edição. São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, HALLIDAY; RESINICK; KRANE. Física 4. 5º edição. Editora: LTC LOPES, J. Bernardino. Aprender e Ensinar Física. Fundação para Ciência e tecnologia, março de MAXWELL. Para que serve uma Matriz de contato? Disponível em: <http://www.eletrohoo.com.br/site/componentes/outros/matriz/index.asp>. NETTO, Luiz Ferraz. Eletrônica. Disponível em: <http://www.feiradeciencias.com.br/sala15/index15.asp>. PENTEADO, Paulo César M.. Física: Conceitos e aplicações. V.3, eletricidade. 1ª edição. São Paulo: Moderna, CRUZ, S. M. S. C. de Souza; ZYLBERSZTAIN, Arden. O enfoque ciência, tecnologia e sociedade e a aprendizagem centrada em eventos. IN: PIETROCOLO, M. (Org). Ensino de Física: conteúdo, metodologia e epistemologia numa concepção integradora. Florianópolis. Editora da UFCC, SERWAY. Física Moderna, Relatividade, Física Atômica e Nuclear, 3 edição. Editora LTC

17 7 ANEXO 01 A. IDENTIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS 1. Protoboard (matriz de contato): O protoboard é usado para fazer montagens experimentais de circuitos elétricos provisórias, pois com este instrumento não há necessidade de se utilizar soldas, basta fazer as conexões corretamente. Figura 01: Protoboard (matriz de contato) Observe que no protoboard suas filas de furos são interligadas no seguinte padrão: Os furos da 1ª linha (fila horizontal) do protoboard estão interligados, ou seja, conectadas a uma mesma barra condutora. Figura 02: Protoboard 16

18 Os furos da última linha (12 fila, horizontal) estão interligados, isto é, conectados a uma mesma barra condutora. Os furos da parte central, da 2 linha até a 6 linha, não estão interligados por linha e sim por coluna em grupos de 5 (posição vertical). O mesmo acontece com os furos da 7 linha até a 11ª linha. Figura 03: Protoboard 2. MULTÍMETRO: É um instrumento de grande utilidade na Eletrônica. É com este aparelho que se realiza as principais medições das três grandezas básicas da eletricidade: Tensão elétrica medida em Volts (V); Intensidade de corrente elétrica medida em ampères (A); Resistência elétrica medida em Ohms (Ω). Figura 04: Multímetro digital 17

19 Como o simples girar de uma chave seletora ou por outros diferentes orifícios de conexão, o multímetro digital pode transformar-se em um voltímetro (medidor de tensão elétrica), em um ohmímetro (medidor de resistência elétrica), em um amperímetro (medidor de corrente elétrica) etc. O multímetro digital permite a seleção de várias escalas, de maneira a obter uma leitura com bastante precisão. O objetivo dos medidores elétricos como amperímetros, voltímetros, ohmímetros etc, é apenas realizar as medidas não devendo provocar grandes alterações no circuito original Multímetro como medidor de Corrente elétrica (Amperímetro): O multímetro utilizado para medição de corrente é conhecido como amperímetro. São representados pelo seguinte símbolo: Figura 05: Símbolo do amperímetro. O amperímetro deve ser ligado em série ao circuito elétrico para que a corrente elétrica possa atravessá-lo, pois a resistência do amperímetro é muito baixa em casos ideais é nula. O amperímetro pode ser utilizado para medir corrente contínua (CC) ou corrente alternada (CA), deve-se fazer a escolha apropriada (calibrar o aparelho) antes de inseri-lo no circuito. Para escolher a escala apropriada basta girar a chave seletora e observar se marca corrente contínua (CC) ou corrente alternada (CA) Exemplo de ligação de um medidor de corrente elétrica em um circuito 18

20 Figura 06: Circuito simples com amperímetro. Circuito esquemático Figura 07: Circuito simples com amperímetro. Considerando uma situação ideal, onde a resistência elétrica do amperímetro deve ser nula a tensão elétrica (ddp), também, será nula. Assim se o amperímetro ideal for conectado em paralelo com o resistor da figura 07 estaria provocando um curto-circuito, pois a resistência interna do amperímetro deve ser bem pequena (idealmente zero), para que não haja queda de tensão elétrica quando o aparelho for inserido no circuito. Um bom amperímetro deve ter resistência elétrica da ordem de 0,1 Ω Multímetro como medidor de tensão elétrico (Voltímetro): O voltímetro deve ser ligado em paralelo no circuito elétrico, pois sua resistência elétrica é grande para o voltímetro ideal a resistência elétrica é infinitamente grande. Antes de fazer a ligação observe o tipo de tensão elétrica fornecida pela fonte. Os circuito eletrônicos, baterias e pilhas fornecem tensão elétrica contínua, dessa forma a tensão a ser medida também será contínua, depois de observar estes detalhes calibre o aparelho fazendo a seleção apropriada para tensão contínua ou alternada. São representados pelo seguinte símbolo: 19

21 Figura 08: Símbolo do voltímetro. Exemplo de ligações de um medidor de tensão elétrica em um circuito. Figura 09: Circuito simples utilizando um medidor de tensão elétrica. Observe que se o voltímetro fosse ligado em série ao circuito elétrico isto impediria a passagem de corrente elétrica e o voltímetro estaria medindo a tensão elétrica (U) entre os terminais da associação. Um bom voltímetro deve ter resistência elétrica bastante elevada, da ordem de 10 KΩ Multímetro como medidor de resistência elétrica (Ohmímetro): O multímetro como medidor de resistência elétrica é conhecido como ohmímetro. Para usar o multímetro como ohmímetro coloca-se a chave seletora na posição de funcionamento como ohmímetro e coloca os pontos de prova sobre as extremidades do resistor cuja resistência se pretende medir e verificar a posição do ponteiro na escala. O ohmímetro também pode ser utilizado na identificação de curto-circuito ou em circuito aberto. O curto-circuito é identificado através da medição de uma resistência relativamente pequena ou nula entre os pontos. A situação oposta corresponde à medição de resistências elevadíssimas. B. IDENTIFICAÇÃO DOS COMPONENTES 1. Resistores: 20

22 Os resistores são elementos do circuito que têm a propriedade de oferecerem oposição à passagem da corrente elétrica. Esta propriedade é conhecida como resistência elétrica que pode ser encontrada em vários aparelhos: no ferro de passar roupa, no chuveiro, no secador de cabelo, na chapinha elétrica etc. Figura 10: Resistor Unidade do resistor no sistema internacional de unidades (SI) é o Ohm (1Ω, letra grega ômega), 1 ohm (1 Ω) = 1 Volt/ àmpere (V/A). A simbologia mais utilizada para os resistores: Figura 11: Resistor Os resistores são geralmente utilizados em circuitos eletrônicos para: Reduzir controladamente à intensidade de corrente elétrica; Fazer cair à tensão elétrica num circuito a um valor mais conveniente para uma determinada aplicação; Em um sistema de aquecimento Tipos de resistores: Os resistores podem ser classificados em fixos ou variáveis Resistores fixos: Os resistores fixos possuem resistência elétrica definida, ou seja, não se pode variar o seu valor. Para saber o valor da resistência elétrica do resistor, deve-se consultar uma tabela com valores para encontrar as suas respectivas resistências. 21

23 Figura 12: Código de cores para o resistor Observe o resistor abaixo, qual seria o valor da sua resistência? Figura 13: Código de cores para o resistor com 5 faixas O resistor da figura 13 apresenta 5 faixas. Observe que a primeira faixa nunca pode ser de cor ouro ou prata. Os algarismos significativos são o 4, 7 e 0, formando o número 470 que deve ser multiplicado pelo valor da 4ª faixa que é 100, ficando assim: 470x100 = Ω e o valor da tolerância é de 1%. 22

24 A tolerância é a máxima diferença que pode existir entre o valor que está estampado no corpo do resistor, com o seu valor real. Para um resistor com menos de 10 Ω, a sua terceira faixa é dourada ou prateada Resistores variáveis: O funcionamento de resistores variáveis geralmente se baseia no deslocamento de um contato móvel sobre a superfície do resistor, conhecidos, também, por potenciômetros. Figura 14: Resistor variável Símbolos utilizados para resistores variáveis: Figura 15: Resistor variável Alguns dos principais tipos de resistores: Resistores de Carbono: É o mais conhecido entre os resistores. O seu valor é indicado por faixas coloridas. E que devem ser interpretadas corretamente, devem ser lidas da ponta para o centro e consultando uma tabela com os valores das resistências dos resistores para se conhecer o valor. Resistores de Precisão (de filmes): E um tipo especial de receptor que possui quatro ou seis anéis coloridos, indicando o seu valor de resistência, tolerância e coeficiente de temperatura. Resistores Variáveis: 23

25 Potenciômetro ou trimpot é o nome dado a estes tipos de resistores, são usados para variar a resistência elétrica apresentada à circulação de uma corrente elétrica. Geralmente os potenciômetros são usados, incorporados com um interruptor, para controle de volume, controle de tonalidade, sensibilidade, ligar, desligar pois permite o ajuste das características desejadas Resistores de Fio: São construídos de fio metálicos, de alta resistividade, enrolados sobre uma forma a base de porcelana. Geralmente são utilizados para controlar intensas correntes elétricas LEI DE OHM A lei de Ohm é baseada em três grandezas: Tensão elétrica (U) ou diferença de potencial elétrica (ddp); Intensidade de corrente elétrica (I); Resistência elétrica (R). Em um resistor, mantendo-se constante a temperatura e aplicando uma diferença de potencial elétrica (ddp) nos terminais do resistor será percorrido por uma corrente elétrica de intensidade (I), diretamente proporcional à diferença de potencial elétrica (ddp), ou seja, se aumentarmos a ddp aplicada nos terminais de um resistor, a intensidade de corrente elétrica (I) que o atravessa aumenta na mesma proporção. U 1 / I 1 = U 2 / I 2 = U 3 / I 3 =...= constante = R U = R.I (01) Segundo Gref (2002, p. 62) para muitos condutores metálicos, a resistência não depende da tensão nem da corrente, permanecendo praticamente constante para uma certa faixa de temperatura. A unidade de medida da resistência elétrica, no Sistema Internacional de unidades (SI), é o Ohm, cujo símbolo é Ω. 1 Ohm = 1 volt/ 1 àmpere 1 Ω = 1 V/ A 1.3. Resistores ôhmicos e resistores não-ôhmicos 24

26 Em geral, ao variarmos a tensão elétrica (U), aplicada aos terminais do resistor a intensidade de corrente elétrica (I), também varia, mas não de maneira proporcional. Nesse caso, o resistor não obedece à lei de Ohm, pois sua resistência elétrica não permanece constante, sendo então denominado resistor não-ôhmico. 2. CAPACITOR: Os capacitores são componentes eletrônicos formados por conjuntos de placas de metal entre as quais existe um material isolante (dielétrico), como o ar, papéis, vidro etc, que define o tipo de capacitor. O capacitor é um dispositivo que tem a propriedade de armazenar cargas elétricas resultante da diferença de potencial elétrico entre duas placas condutoras. Existem vários tipos de capacitores, observe alguns modelos: Figura 16: Capacitores de vários tipos. A quantidade de carga (Q) de um capacitor é diretamente proporcional à tensão elétrica (U) em seus terminais. A constante de proporcionalidade é a capacitância (C). Ou seja: C = Q/U (02) Unidade da capacitância no sistema internacional de unidades (SI) É farad ( F), 1 farad (1F) = 1 Coulomb / Volt (C/V). Segundo Penteado: Analiticamente: Q = C.U.. Nessa expressão a constante de proporcionalidade C depende de características do condutor e do meio no qual ele se comporta. Se considerarmos dois fios condutores, colocados num mesmo meio, e sujeitos a um mesmo potencial elétrico, podemos concluir, também, pela expressão Q=C.U, que o condutor que tiver um maior valor de C armazenará uma maior carga elétrica Q. Desse modo, podemos entender essa constante de proporcionalidade C como uma medida da capacidade de o condutor armazenar cargas elétricas, denominada Capacitância ou capacidade eletrostática do condutor (PENTEADO (1998, p. 84)). 25

27 A simbologia empregada para o capacitor Figura 17: Capacitor 2.1. Uso de capacitores: Os capacitores são geralmente utilizados em circuitos eletrônicos para: Suavizar a saída de uma onda retificada completa ou meia onda; Circuitos de receptor de rádio para cada valor da capacitância, o receptor sintoniza determinada estação de rádio; Manter estável uma corrente alternada, como um sinal de áudio etc; Os capacitores se dividem em fixos e variáveis, sendo os variáveis, também conhecidos por variável ou Trimmer. Entre os capacitores fixos existem vários tipos dependendo do material usado e da fabricação do dielétrico. O número de famílias de capacitores é atualmente bastante elevado. Cada qual possuindo vantagens inerentes aos materiais e processos de fabricação empregados. A seguir estão relacionadas algumas das principais famílias de capacitores Tipos de capacitores: Capacitor eletrolítico: tem alta potência e volume reduzido. Capacitor de Poliéster: Capacitores de Tântalo: é um dispositivo de baixa voltagem, tem a vantagem de armazenar altas capacidades de cargas em volume reduzido, com uma pequena tolerância; Capacitores Cerâmicos: geralmente são utilizados em rádios, televisores, telefones, antenas etc; Capacitor Variável: são conhecidos por capacitores de sintonia, geralmente são utilizados em equipamentos de telecomunicação para sintonia e controle de freqüência. 26

28 3. DIODO: Os diodos são muito usados na eletrônica e na microeletrônica. O diodo é um componente eletrônico que possui estrutura P-N (A estrutura P-N é explicada na terceira parte que trata sobre bandas de energia) feita de Silício ou Germânio. Existem vários tipos de diodo, os mais comuns são fabricados com silício cristalino. O silício é um semicondutor, termo que identifica o nível de condutividade para diferenciá-lo dos metais, e dos isolantes. A característica fundamental de um semicondutor é possuir o que chamamos de banda proibida (veja o terceiro anexo), que é uma região (em energia) que os elétrons não podem ocupar. Isto cria uma barreira de potencial para os elétrons (como a junção p-n) ao unir dois semicondutores com diferentes níveis de dopagem. A barreira de potencial fica localizada no interior do dispositivo, e os elétrons precisam ultrapassar esta barreira para que a corrente possa passar. No diodo existe um sentido direto de passagem fácil de corrente e um sentido inverso que bloqueia a corrente. O diodo é constituído de silício ou Germânio, onde o material N, que e o cátodo (C ou K) do diodo, são identificados por uma faixa ou anel. Símbolo do diodo: Figura 21: Diodo Figura 22: Diodo 3.1. Polarização: Um diodo semicondutor pode ser polarizado de duas formas, diretamente ou inversamente. Se o diodo for polarizado diretamente (veja o terceiro anexo), com o pólo positivo de uma bateria ligado em seu ânodo, a corrente pode fluir com facilidade, pois o diodo apresenta uma baixa resistência, já se a polarização for feita inversamente então a corrente encontra grande dificuldade em circular. 27

29 A resistência do diodo é muito baixa na sua condição de condução da corrente elétrica, se não houver algo para limitá-la no circuito, o diodo corre o risco de se queimar, pois existe um limite para a intensidade da corrente que ele pode conduzir, geralmente utiliza-se um resistor para limitar a corrente elétrica do circuito. Segundo Braga (2001, p. 55) existe um limite para a tensão elétrica máxima que podemos aplicar num diodo ao polarizálo inversamente, chega um ponto em que mesmo polarizado inversamente à barreira de potencial não mais pode conter o fluxo de cargas rompendo-se com a queima do diodo Tipos de Diodos Diodo de Germanio: É usado com correntes muito fracas mas pode operar com velocidade muito altas. É usado na detecção de sinais de altas freqüências (rádio). Diodo de Silício de uso geral: São diodos de silício fabricados para o trabalho com correntes de pequena intensidade. Suportam uma corrente elétrica máxima de 200 ma e uma tensão elétrica máxima de 100 V. São usados em: circuitos lógicos, circuitos de proteção de transistores, polarização etc. Diodos Retificadores de Silício: Estes são destinados à condução de correntes intensas e também operam com tensões relativamente altas. A tensão elétrica pode chegar a 1000 V ou 1200 V no sentido inverso. O diodo Zener: Existe um limite para a tensão elétrica inversa máxima que se pode aplicar a um diodo. Quando a tensão elétrica atinge este valor que varia de tipo para tipo, a junção rompe-se, e a corrente passa a fluir sem obstáculos. Para os diodos comuns, este rompimento no sentido inverso significa a queima do componente, já o diodo zener é fabricado para este uso Diodos emissores de Luz ou LEDs: É um tipo de diodo feito de materiais como o Arseneto de Gálio com Índio (GaAsI), e que são denominados light emilting diodes ou LEDs. De acorodo com Braga: 28

30 A observação de que quando um diodo conduz a corrente no sentido direto há emissão de radiação normalmente infravermelho é antiga. Este efeito pode ser modificada para a obtenção de radiação em outra faixa de luz visível. Os diodos emissores de luz ou LEDs podem produzir uma luz incrivelmente pura, pois como a emissão ocorre por um processo de transferência de energia entre elétrons que estão em órbitas definidas nos átomos, sua freqüência é única (este processo é semelhante ao LASER, daí os LEDS serem considerados dispositivos aparentados dos LASERs). A resistência elétrica de um Led é muito baixa, assim os leds precisam de algum meio para limitar corrente elétrica, pois ela pode superar o valor Máximo que ela suporta, causando queima (BRAGA 2001, p. 57). Os Leds são utilizados mais frequentemente nos painéis de computadores, monitores, em muitos pontos em que se deseja um indicador luminoso, para formar os números nos relógios digitais, para acender sinais de trânsito etc. Figura 23: Leds 29

31 8 ANEXO PRIMEIRO EXPERIMENTO (UTILIZAÇÃO DO PROTOBOARD E DO MULTÍMETRO DIGITAL) Núcleo: Protoboard; Multímetro digital utilizado como voltímetro; Tensão elétrica; Fundamentação teórica: O protoboard é um instrumento que permite montar circuitos elétricos experimentais sem a necessidade de soldar os elementos no circuito. É composto por conexões horizontais, com grupos de cinco pontos ligados entre si, de tal modo que entre uma linha e outra não haja contato, e conexões verticais, conectados de 5 em 5 furos. Figura 01: Protoboard (matriz de contato) O multímetro digital permite realizar leituras de tensão elétrica, corrente elétrica, resistência elétrica e fazer outras medidas, bastando girar a chave seletora, ou por diferentes orifícios de conexão. Os geradores elétricos são elementos que transformam algum tipo de energia em energia elétrica, um exemplo que será utilizado são as pilhas que transformam energia química em elétrica. As pilhas podem ser combinadas no intuito de conseguir uma tensão elétrica mais apropriada em um determinado circuito. Um circuito elétrico simples deve ter ao menos um gerador e um receptor. 30

32 Objetivo Aprender a utilizar o protoboard; Aprender a utilizar o multímetro; Conhecer um gerador de tensão elétrica; Observar associações de geradores elétricos. Montar um circuito elétrico simples. Material necessário: 4 pilhas com suporte; Protoboard; Multímetro; Fios para conexão. Procedimento: Meça a tensão elétrica em cada uma das quatro pilhas disponíveis. Separadamente, preenchendo a tabela abaixo. Pilha Tensão elétrica (V) Pilha 1 Pilha 2 Pilha 3 Pilha 4 Figura 02: Tabela (valores da tensão elétrica) Monte o circuito 01, meça e anote o valor da tensão elétrica entre os pontos A e B. Monte o circuito 02, meça e anote o valor da tensão elétrica entre os pontos A e B. Monte o circuito 03 no protoboard, meça e anote a tensão elétrica entre os pontos A e D, A e B, B e C, C e D, A e C, B e D, preenchendo a tabela abaixo com os valores encontrados 31

33 Figura 03: Circuitos elétricos simples utilizando pilhas. Figura 04: Tabela para os circuitos 01,02 e 03. Pilha V AB Circuito 1 V AB Circuito 2 V AD circuito 3 V AB circuito 3 V BC circuito 3 V CD circuito 3 V BC circuito 3 V CD circuito 3 V AC circuito 3 V BD circuito 3 Tensão elétrica (V) Análise: É um experimento fácil de ser realizada, neste experimento o aluno tem a oportunidade de observar, manusear e trabalhar com os instrumentos, observando a montagem dos circuitos elétricos o aluno pode verificar a combinação de geradores elétricos. Dicas: Podem-se fazer associações em paralelo para verificação do respectivo valor da tensão elétrica, para posterior comparação das ligações em série e em paralelo. 32

34 2. SEGUNDO EXPERIMENTO (LEI DE OHM) Núcleo: Lei de Ohm; Multímetro digital como amperímetro. Fundamentação teórica: Aplicando uma diferença de potencial (ddp) nos terminais de um resistor de resistência (R), o resistor é percorrido por uma corrente elétrica (I) diretamente proporcional à tensão aplicada. Matematicamente tem-se: V = R.I (01) Objetivo: Verificar a validade da lei de Ohm; Utilizar o multímetro digital como amperímetro; Calcular resistências a partir da lei de Ohm. Material necessário: 1 fonte de tensão variável; resistor de 470 Ω +10 % - 0, 33 W; 1 resistor de 2,2 KΩ +10 % - 0, 33 W; Protoboard; Multímetro digital; Fios para conexão. Procedimento: Monte o circuito da figura com o resistor de resistência elétrica R = 470 Ω. 33

35 Figura 01: Circuito simples com amperímetro Varie a tensão elétrica da fonte de 2 em 2 volts e anote os valores da corrente elétrica que percorre o resistor, preenchendo a tabela abaixo. Faça isto com o resistor de 470 Ω e, também com o de 2,2 K Ω. Tensão elétrica (V) Corrente elétrica para R 1 = 470 Ω Corrente elétrica para R 2 = 2,2 K Ω Figura 02: Tabela com valores de tensão elétrica, corrente elétrica para resistores de 470Ω e 2,2 kω Construa o gráfico V = f(i) em papel milimetrado. A partir do gráfico, calcule o valor da resistência. Troque o resistor (R 1 ) pelo resistor R 2 = 2,2 KΩ e refaça todos os itens preenchendo a segunda coluna da tabela acima. Análise: Com este experimento verifica-se que a lei de Ohm é valida somente em certas circunstâncias e para certos materiais. Dicas: 34

36 Neste caso é melhor utilizar um resistor de valor mais alto e fazer as medidas rapidamente, pois o resistor sofre aquecimento, interferindo no valor das medidas a serem trabalhadas, ou então, use outros valores de corrente elétrica ou voltagens na tentativa de solucionar o problema. Substitua o resistor por uma lâmpada de filamento incandescente e faça medidas que lhe permitam verificar como a resistência varia com a intensidade da luz. Faça medidas para mostrar a não linearidade do elemento. 35

37 3. TERCEIRO EXPERIMENTO (ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES) CONSTRUINDO UM DIVISOR DE CORRENTE ELÉTRICA Núcleo: Associação de resistores; Multímetro digital como amperímetro; Multímetro digital como voltímetro; FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA: Em uma montagem de um circuito elétrica muitas vezes é necessária utilizar um resistor que tenha certa resistência elétrica não encontrada nos resistores disponíveis no momento. Nestas situações, costuma-se fazer combinações de resistores de modo a se obter a resistência elétrica desejada. A combinação de resistores interligados chama-se associação de resistores. Estas associações podem ser feitas em série em paralelo e mista. Dois ou mais resistores podem ser alimentados pela mesma fonte desde que sejam ligados uns aos outros de modo a formarem um circuito elétrico fechado que permita a circulação da corrente elétrica. Qualquer que seja ao tipo de associação esta sempre resultará numa única resistência total, normalmente designada com resistência equivalente. Pode-se utilizar a forma abreviada de escrita que é R eq. Características fundamentais de uma associação de resistores em série: A corrente elétrica flui pelo um único caminho. A corrente elétrica que passa por circuito é a mesma em todos os resistores: I Total = I 1 =I 2 = I 3 = I n. (01) A tensão elétrica se divide entre os componentes do circuito. A tensão elétrica total que circula na associação é a somatória da tensão elétrica de cada resistor: U Total = U 1 + U 2 + U 3 + Um (02) O funcionamento de cada resistor é dependente dos demais resistores; R equivalente = R 1 + R 2 + R 3 + R n. (03) 36

38 Características fundamentais de uma associação de resistores em paralelo: Há mais de um caminho para a corrente elétrica fluir; A corrente elétrica se divide entre os componentes do circuito; A corrente total que passa na associação é a somatória da corrente de cada resistor; I Total = I 1 + I 2 + I 3... I n. (04) O funcionamento de cada resistor é independente dos demais; R equivalente = 1/R 1 + 1/R 2 +1/ R /R n. (05) A diferença de potencial (ddp - tensão elétrica) é a mesma em todos os resistores. U Total = U 1 = U 2 = U 3 = U n. (06) Objetivo: Verificar experimentalmente as propriedades da associação de resistores; Utilizar o multímetro digital como amperímetro; Utilizar o multímetro digital como voltímetro; Calcular resistências elétricas a partir da lei de Ohm. Material necessário: 1 fonte de tensão variável; 3 resistores de 100 Ω +10 % - 0, 33 W; Protoboard; Multímetros digitais; Fios para conexão. Orientações: Problematização inicial Observando os tipos de associações de resistores, qual o melhor tipo de associação de resistores para uma instalação elétrica residencial? Procedimento: 37

39 Monte o circuito elétrico no protoboard de tal forma a se obter: 1. Em todos os resistores uma mesma corrente elétrica de mesmo sentido e de mesma intensidade (I), de modo que a corrente elétrica nos terminais do resistor R 1 seja igual à corrente elétrica nos terminais do resistor R 2 e igual à corrente elétrica nos terminais do resistor R Anote os valores das resistências elétricas de cada resistor na associação e no início do terminal do primeiro resistor e no final de segundo resistor. 3. Anote a potência dissipada nos terminais de cada resistor e no resistor equivalente. 4. Desenhe o circuito elétrico, mostrando como foi feito a associação. 5. O que acontece se o resistor que está entre o primeiro resistor e terceiro resistor for tirado? Justifique. Figura 01: Tabela para colocar dados com de corrente, tensão, resistência e potência. Resistores I (ma) U (V) R (Ω) P diss (w) R 1AB R 2BC R 3CD R equivalente Montando um divisor de corrente elétrica Fazer associações utilizando os três resistores de modo a obter: 1. À mesma diferença de potencial (ddp) em cada resistor, ou seja, a tensão elétrica nos terminais do resistor R 1 seja igual à tensão elétrica nos terminais do resistor R 2 e seja igual a tensão elétrica medida nos terminais do resistor R Meça a intensidade da corrente elétrica em cada resistor; 3. Meça o valor da resistência elétrica nos terminais de cada resistor utilizando a lei de ohm e a resistência equivalente do circuito. 4. Calcule a potência dissipada em cada resistor. Figura 02: Tabela para colocar dados com de corrente, tensão, resistência e potência. Resistores I (ma) U (V) R (Ω) P diss (w) R 1AB R 2BC R 3CD 38

40 R equivalente Análise: Neste experimento, para a voltagem utilizada, é melhor utilizar resistores com resistências elétricas elevadas, da ordem de 1 KΩ, pois se deve considerar a resistência interna dos aparelhos utilizados nas medidas e quanto maior o valor da resistência equivalente menor as fontes de erros que poderão ser encontradas na realização do experimento. Dicas: Utilizar fios menores, pois os fios também têm resistências elétricas e quanto maior o comprimento maior a resistência elétrica; Utilizar resistores com resistências elevadas. Menores que 100 Ω aquecem rapidamente podendo queimar o circuito, incapacitando a realização das medidas para uma posterior comparação com a primeira lei de Ohm. Lembre-se que pode haver uma variação de até 5% nos resultados devido à tolerância dos componentes. 39

41 4. QUARTO EXPERIMENTO (CARGA E DESCARGA DE UM CAPACITOR ATRAVÉS DE UM RESISTOR (CIRCUITO RC)) Núcleo: Circuito RC ou circuito de tempo. Fundamentação teórica: Ao associar um resistor e um capacitor em série o circuito apresentará propriedades bem interessantes. Observe o circuito da figura: Figura 18: Circuito de tempo utilizando um led de cor verde Circuito Esquemático: Figura 19: Circuito de tempo utilizando um led de cor verde Circuito RC série Quando a chave Ch 1 está aberta, o capacitor está descarregado, assim a tensão entre as suas armaduras é nula (zero volt). Quando a chave é fechada, estabelece uma corrente no circuito que tende a carregar o capacitor. Segundo Braga (2001, p.36) neste instante inicial o capacitor se comporta como uma resistência praticamente nula, dessa forma a corrente que circula no instante 40

42 inicial sofrerá limitações apenas pelo valor do resistor. A corrente será máxima no instante em que ligamos à chave Ch 1. Com o passar do tempo o capacitor vai carregando e à tensão elétrica entre suas armaduras começa a subir, significando que ele passa a representar uma resistência maior para a circulação da corrente elétrica, diminuindo assim a velocidade com que as novas cargas são transferidas. A velocidade da carga elétrica diminui à medida que a tensão nas armaduras se eleva. Tem-se uma curva exponencial que se aproxima infinitamente da tensão aplicada ao circuito. A curva exponencial pode ser estabelecida através de uma equação: t = R.C (01) O valor RC significa quanto tempo decorre entre o instante em que a chave Ch 1 é fechada até que a tensão elétrica chegue a 63% do valor da tensão aplicada na fonte de energia. O valor de 63% é encontrado através da equação 02 abaixo: V c (t) = V (1 e t/rc ) (02) V R (t) = V e t/rc (03) Desse modo, a voltagem sobre o capacitor tende a V conforme o tempo passa, enquanto a voltagem sobre o resistor tende a zero. Isto é de acordo com o conceito intuitivo de que o capacitor estará se carregando pela fonte de tensão conforme o tempo passa, e estará eventualmente totalmente carregado, formando assim um circuito aberto. Estas equações mostram que um circuito RC série possui uma constante de tempo, usualmente representada por t = RC sendo o tempo que a voltagem leva para subir (sobre C) ou descer (sobre R) até 1 / e de seu valor final. Desta forma, t é o tempo que V C leva para atingir V(1 1 / e) e o tempo que V R leva para atingir V(1 / e). Descarga de um capacitor através de um resistor Quando o capacitor estiver completamente carregado, retira-se a bateria formando o circuito abaixo: Figura 03: Descarga de um capacitor através de um resistor 41

43 Com o circuito fechado e sem a bateria a descarga do capacitor começa a acontecer através do resistor (R 1), à medida que a tensão cai, a corrente elétrica diminui e a descarga se torna cada vez mais lenta. Quando a fonte de tensão é substituída por um curto-circuito, com C totalmente carregado, a voltagem através de C se reduz exponencialmente em t com V tendendo a 0.e o Capacitor (C) será descarregado até cerca de 37%. Objetivo: Verificação da carga de um capacitor através de um resistor; Verificação da descarga de um capacitor através de um resistor; Calcular a constante de tempo no circuito montado. Material necessário: Led verde comum; Um resistor de 100 kω ; Um capacitor de 470 µf; Fios para conexão; Multímetro digital. Orientação: Problematização inicial Já verificou como são formados os circuitos internos de um computador? Para que servem tantos capacitores associados em série com o resistor? Já pensou porque devemos esperar 5s quando desligamos um computador para ligarmos novamente? Como são montados os indicadores luminosos de interruptores? Metodologia: Prática 01: 1- Monte o circuito da figura 02: 2- Verifique e anote o que acontece inicialmente quando o circuito é ligado; 3- Verifique o que acontece com o brilho do led após certo tempo; 42

44 4- Depois de muito tempo do circuito ligado o que acontece com a luz do led? Justifique suas respostas. 5- Calcule a constante de tempo para este circuito. 6- Faça o gráfico deste circuito. Prática 02: Monte o circuito da figura 03; Verifique o que acontece com o brilho do led após o capacitor está carregado e de ser desligado da bateria. Depois de muito tempo com o circuito ligado sem a bateria o que acontece com a luz do led? Justifique. Análise: Os circuitos internos de um computador e qualquer placa são formados de resistores e capacitores. Com este circuito RC nos computadores é possível fazer com que as tensões elétricas mudem rapidamente de valor; O led tem polaridade certa para ligar, caso seja invertido não acende; A utilização do led neste experimento ajuda na visualização do fenômeno; 43

45 5. QUINTO EXPERIMENTO (CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO) Núcleo: Curva característica do diodo. Fundamentação teórica: Existem vários tipos de diodo, os mais comuns são fabricados com silício cristalino, como o diodo a ser estudado neste experimento. O silício é um semicondutor, termo que identifica o nível de condutividade para diferenciá-lo dos metais, e dos isolantes. A característica fundamental de um semicondutor é possuir o que chamamos de banda proibida, que é uma região (em energia) que os elétrons não podem ocupar. Isto permite criarmos uma barreira de potencial para os elétrons (como a junção p-n) ao unir dois semicondutores com diferentes níveis de dopagem. A barreira de potencial fica localizada no interior do dispositivo, e os elétrons precisam ultrapassar esta barreira para que a corrente possa passar. No diodo existe um sentido direto de passagem fácil de corrente e um sentido inverso que bloqueia a corrente elétrica. Pode-se determinar a tensão elétrica que o diodo passa a conduzir corrente elétrica, o que será feito proposto neste experimento. Objetivo: Mostrar que o diodo é um dispositivo retificador (deixa passar a corrente no sentido direto, mas não no sentido inverso). Levantar a curva do diodo, determinando a tensão elétrica que o diodo passa a conduzir corrente elétrica. Material necessário: Diodo; Um resistor de 470 Ω; Multímetro digital; Fios para conexão; Fonte de tensão. 44

46 Metodologia: 1. Monte o circuito da figura abaixo, de polarização direta do diodo Figura 30: Circuito simples com diodo Figura 31: Circuito simples com diodo Varie a tensão na fonte de 0,1 em 0,1 e depois de 0,5 em 0,5; Monte um gráfico de corrente elétrica versus tensão elétrica (I x V) com os dados obtidos. Dicas Os diodos são largamente utilizados na eletrônica e microeletrônica. No sentido inverso, devido à resistência elevada, o diodo não conduz. 45

47 9 ANEXO INTERAÇÃO ENTRE ÁTOMOS 1.1. Bandas de Energia: Considere dois átomos idênticos com certa energia bem determinada e definida entre si, entre estes átomos não há interação entre eles e os níveis de energia eletrônica de cada um podem ser considerados os níveis de energia dos átomos isolados. Lembrando que cada camada corresponde a um nível de energia do átomo. Segundo Serway: Quando estes dois átomos idênticos se aproximam um do outro, os respectivos níveis de energia principiam a se superpor. Se a interação entre eles for suficientemente forte, dois níveis de energia diferente se formam. Fenômeno semelhante ocorre com um sólido, os átomos estão tão próximos uns dos outros que os níveis de energia dos elétrons de um átomo são afetados pela presença de outros átomos, esta proximidade dos átomos é chamada de banda de energia e caracteriza os materiais não só do estado sólido mais também do estado líquido. Isto tem o efeito de mudar os níveis de energia do átomo que a princípio estão bem definidos para bandas largas de energia. Para um grande número de átomos (da ordem de 10²³ átomos/cm³), os níveis de energia estarão tão próximos que podem ser encarados como uma banda continua de níveis de energia (SERWAY, 1992, p.132). Os níveis energéticos serão representados por diagramas de energia, pois trará mais informações do que a representação por órbitas de energia. Diagrama de energia para o elemento sódio: Figura 32: Diagramas de energia para o elemento sódio. (a) A divisão dos níveis 3s quando dois átomos de sódio se reúnem. (b) A divisão dos níveis 3s quando seis átomos de sódio se reúnem. (c) A formação de uma banda 3s quando um grande número de átomos de sódio se reúne para formar um sódio (Serway, 1992, p: 132.). 2. CONDUÇÃO ELÉTRICA NOS CONDUTORES, ISOLANTES E SEMICONDUTORES: Os bons condutores têm uma elevada densidade de portadores de carga elétrica, enquanto a densidade dos portadores de carga elétrica nos isolantes é quase nula e nos 46

48 semicondutores a densidade de portadores de carga elétrica é intermediaria á dos condutores e dos isolantes. Pelo modelo das bandas de energia pode-se explicar a enorme variação da condutividade elétrica em materiais condutores, isolantes e semicondutores Modelo de Bandas de energia para o condutor (resistividade baixa): Os bons condutores possuem uma elevada densidade de portadores de carga elétrica, assim a mobilidade do elétron é maior na substância. A diferença entre a banda de valência (Banda ocupada por elétrons) e a banda de condução (banda livre) é praticamente inexistente. Assim, um pequeno potencial aplicado pode provocar uma corrente elétrica. Figura 33 Diagrama de energia para um condutor 2.2. Modelo de Bandas de energia para o isolante (alta resistividade): No material isolante é grande a dificuldade que os elétrons encontram para se locomoverem, pois é grande a diferença entre a banda de valência (Banda ocupada por elétrons) e a banda de condução (banda livre), a banda que separa a banda de condução da banda de valência é chamada de gap (energia necessária para transição do elétron da banda de valência para a banda de condução). Num isolante o gap de energia é da ordem de 10 ev (elétron volt). Dessa forma, apesar do isolante possuir muito espaço vazio na banda de condução que poderia receber elétrons, a energia de gap é alta e o número de elétrons que chegam à banda de condução é mínimo não contribuindo para a condutividade elétrica o que provoca à elevada resistividade. Figura 34: Diagrama de energia para um isolante 2.3. Modelo de Bandas de energia para o semicondutor (resistividade depende da temperatura): 47

49 Os semicondutores constituem uma classe de materiais com grande importância tecnológica utilizados na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transistores e outros. Os semicondutores são tratados quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica. A condutividade elétrica no semicondutor ao contrário do que ocorre com a maioria dos condutores aumenta com a temperatura. Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de muitos componentes. Os semicondutores tem energia de gap da ordem de 1 ev. A temperatura de 0 K, todos os elétrons estão na banda de valência e não há elétrons na banda de condução. Pois energia de gap que separa a banda de valência da banda de condução é pequena, dessa maneira em uma temperatura ambiente já é considerável o número de elétrons que são excitados da banda de valência para a banda de condução. Apesar do gap de energia ser pequena a excitação térmica é mais provável quanto mais elevada for à temperatura. Então, em temperaturas baixas, os semicondutores são maus condutores de eletricidade. Já nas temperaturas ambientes pode encontrar corrente elétrica moderada A condutividade nos semicondutores depende da temperatura. Este comportamento é diferente dos metais, cuja condutividade diminui lentamente com a temperatura. Figura 34: Diagrama de energia para um semicondutor Em um semicondutor existem portadores de carga positivos e negativos. Quando um elétron passa da banda de valência para a banda de condução, deixando um espaço no cristal, denominado buraco. Este buraco se comporta como um portador de carga, pois um elétron de valência de ligação mais próxima pode transferir-se para o buraco, preenchendoo e deixando outro buraco no local do elétron. Assim o buraco vai deslocando através do material. Num cristal puro contendo somente um elemento ou um composto, o número de elétrons de condução ou de buracos é igual. 3. SEMICONDUTORES DOPADOS: Os átomos de diferentes elementos existentes na natureza têm uma tendência natural em buscar o equilíbrio e para isto deve deixar sua última camada (camada de valência) com 8 elétrons. 48

50 Pegando como exemplo o silício que é um elemento tetravalente, pois possuem 4 elétrons na camada de valência. Assim o silício pode fazer até 4 ligações covalentes com outros átomos buscando o equilíbrio. Assim os átomos de silício se unindo entre si formam uma rede cristalina firme e os elétrons ficam impossibilitados de mobilidade, apresentando resistência elétrica muito alta. Observe a figura 28. Figura 35: Átomos de silício (Si) Para alterar a resistividade alta e a estrutura de bandas de energia pode-se adicionar certos impurezas ao elemento com o objetivo de provocar desequilíbrio na rede cristalina com o intuito de haver a locomoção de elétrons. As impurezas são átomos estranhos (diferente ao elemento que será dopado) com números de elétrons na camada de valência diferente de 4. Segundo Braga (2002, p.53) a dopagem se faz em proporções extremamente pequenas, da ordem de poucas parte por milhão (ppm). Para o elemento silício há duas possibilidades de adicionar impurezas: Adicionando ao elemento átomos dotados de 5 elétrons na camada de valência (pentavalente), nesse caso os átomos adicionados são chamados de impureza doadora (Ex.: Fósforo (Pb) e Antimônio (Sb) ). Adicionando ao elemento átomos dotados de 3 elétrons na camada de valência (trivalente), nesse caso os átomos adicionados são chamados de impureza aceitadora (Ex.: boro (Br), alumínio (Al) e gálio (Ga)) O silício dopado com impureza doadora Quando o elemento silício é dopado com impureza doadora (5 elétrons na camada de valência) fica sobrando um elétron fracamente ligado ao núcleo do elemento pentavalente. Dessa forma, com uma pequena energia este elétron adquire mobilidade no 49

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