Simulador Computacional de Circuitos Eletrônicos para o Ensino de Física

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1 Faculdade Integrada da Grande Fortaleza FGF PROGRAMA ESPECIAL DE FORMAÇÃO PEDAGÓGICA DE DOCENTES NA ÁREA DE LICENCIATURA EM FÍSICA Simulador Computacional de Circuitos Eletrônicos para o Ensino de Física Gladstone de Alencar Alves Monografia Fortaleza - CE Setembro de 2011

2 Gladstone de Alencar Alves Simulador Computacional de Circuitos Eletrônicos para o Ensino de Física Monogragia apresentado ao Programa Especial de Formação Pedagógica de Docentes na Área de Licenciatura em Física, da Faculdade Integrada da Grande Fortaleza, como requisito necessário para a Graduação em Licenciatura em Física. Orientador: Mestre em Física Edi Rozembergh Brasileiro da Silva Brandão Fortaleza - CE Setembro de 2011

3 Monografia submetida ao Programa Especial de Formação Pedagógica de Docentes na Área de Licenciatura em Física, como partes dos requisitos necessários à obtenção do grau de Licenciado em Física, outorgado pela Faculdade Integrada da Grande Fortaleza - FGF. Gladstone de Alencar Alves Professor Mestre em Física Edi Rozembergh Brasileiro da Silva Brandão Nota Obtida: Monografia aprovada em:

4 Agradecimentos A meu orientador Professor Mestre em Física Edi Rozembergh Brasileiro da Silva Brandão e a todos os professores da área Contextual e Estrutural da FGF por terem me dado esta oportunidade. À minha esposa, Thallyta Alencar, por todo o carinho e apoio. Aos amigos da Graduação da FGF, principalmente Jeová, Cícera Raquel, Luiz Kildery e José Cleiton. Ao Programa de Graduação da FGF para minha formação.

5 Resumo Diante do contexto em que se encontra o ensino de Física, professores e principalemente alunos sentem dificuldades no aprendizado de Física e sua relação com a linguagem matemática. O ensino tradicional, onde os professores de Física buscam como único recurso em sala a aula expositiva, utilizando apenas quadro branco, pincel e apagador, e usando de meios abstratos para tentar explicar algum modelo que venha representar alguma ideia Física. Além disso, os alunos não despertam em nenhum momento interesse pela disciplina, já que a disciplina não é vista de forma aplicativa no cotidiano, ou seja, os alunos não são capazes de vislumbrar as aplicações das ideias físicas na sua realidade. O passo importante que devemos fazer, como professores da disciplina de Física é buscarmos novas ferramentas de ensino de Física, para que os alunos não atentem somente a um mundo puramente abstrato, ou só matemático, mas que possam compartilhar das novas formas de ensino. Esse trabalho tem o intuito de mostrar o uso de uma nova ferramenta conhecida como Eletronics Workbench 5.0 (EWB), um simulador computacional de circuitos elétricos, que dentro da realidade das escolas, sejam elas públicas ou particulares, não dispõem de recursos para montagem de laboratório, e também possam evitar certos danos, como perda de peças, queima do material, e etc.

6 Sumário 1 Introdução 1 2 Ferramenta Virtual para o Ensino de Circuitos Elétricos Corrente Elétrica Circuitos Elétricos Estudo dos resistores Capacitores Diodo Eletronics Workbench 5.0 (EWB) Multímetro Gerador de Funções Proposta para Atividade Usando o multímetro virtual vi

7 SUMÁRIO vii Controle de corrente por diodo Usando um osciloscópio para observar a retificação Usando diodos em circuitos de corrente alternada Retificação de meia onda Retificador de onda completa Conclusões 35 Referências Bibliográficas 37

8 Lista de Figuras 2.1 (a)associação de resistores em série. (b)resistor equivalente Associação de resistores em paralelo Capacitor Representação do diodo Associação de diodos em série Associação de diodos em paralelo Tela inicial do EWB (a)ícone para a caixa de componentes (b)caixa de componentes. 16 (a)ícone para a caixa de componentes fonte (b)caixa de componentes fonte Girar um componente Conector de fios viii

9 LISTA DE FIGURAS ix 3.6 (a)caixa de Propriedade de Resistor (b)caixa de Propriedades de Bateria Caixa de Diálogo para confirmação de apagar o item selecionado Menu Arquivo aberto com a opção Salvar habilitada (a)multímetro- ícone. (b) Multímetro aberto, (c) Janela de ajuste do multímetro Amperímetro Voltímetro Ôhmímetro Gerador de Funções: Senoidal, Triangular e Quadrada Osciloscópio Circuito Associação de resistores em série Associação de resistores em paralelo Exemplo de Circuito Exemplo de Circuito Exemplo de Circuito Circuito Corrente Alternado

10 LISTA DE FIGURAS x 3.22 Circuito Corrente Alternado adicionado com o Diodo Circuito Corrente Alternado com um Diodo e uma Lâmpada Circuito Corrente Alternado com dois Diodos e uma Lâmpada Circuito em um novo formato Circuito em um novo formato Circuito com capacitor O uso do osciloscópio Retificador de onda completa Retificador de meia onda completa

11 Capítulo 1 Introdução Um dos maiores problemas verificado no ensino de Física nas escolas do ensino médio e ensino superior é o da realização de experimentos de laboratório. De fato, não basta ao aluno ler sobre as leis e fenômenos físicos, mas verificar sua validade em ambientes controlados. Isto só é possível em laboratório e com o uso de instrumentos e supervisão adequada. Entretanto, dado o custo elevado que as instalações de um laboratório apresentam, é praticamente inviável e neste contexto que surge a proposta de um laboratório virtual. Muito embora existam na atualidade simuladores de altíssimo grau de detalhamento e sofisticação tecnológica, como o Eletronics Workbench 5.0 (EWB), é possível simular um Laboratório de Eletrônica completo. Os motivos para a utilização do EWB foram o custo nulo para a sua aquisição e a já existência de computadores nas escolas do ensino médio e também no ensino superior. O simulador EWB realiza simulações de circuitos desde o nível mais básico até o mais avançado, atendendo assim, a lei de Diretrizes e Bases

12 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 2 da Educação no Art.36, parágrafo 10, que recomenda a inserção de Tópicos avançados no ensino médio. Observa-se ainda que os ajustes e configurações dos instrumentos gerados são fiéis aos encontrados nos instrumentos reais. A aplicação de simuladores como ferramentas didáticas de apoio à educação tecnológica no ensino médio e superior têm demonstrado ser uma das principais soluções para a viabilização de demonstrações ensaios práticos. Os simuladores de dispositivos eletro-eletrônicos, já apresentam avançado desenvolvimento tecnológico para tal aplicação. O EWB é um simulador eletrônico, que permite construir e simular circuitos eletrônicos dentro da área analógica e digital, sendo de grande utilidade para os estudantes de eletrônica. Possui uma interface de fácil acesso e compreensão, substituindo com muitas vantagens as experiências em laboratórios convencionais, uma vez que, não existe o risco de danificar equipamentos destinados aos ensaios e medidas de circuitos ou componentes. Sua vasta biblioteca permite simular experiências em condições ideais e reais, pois os valores e parâmetros podem ser modificados de acordo com as necessidades do projeto. Existem versões deste programa para operar em ambiente DOS e WINDOWS, sendo que neste curso abordaremos a versão para WINDOWS, o EWB5. Esta monografia tem por objetivo propor para o ensino médio e superior, dentro das competências e habilidades exigidas pelos PCNs e instituições de ensino superior, como Universidades, Faculdades e outros, a utilização de um Laboratório Virtual de Eletrônica. Para alcançar tal objetivo fizemos uso do software simulador Eletronics Workbench, versão 5 (EWB5). Aqui, nos concentramos especificamente nas competências e habilidades a serem

13 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 3 desenvolvidas em Física e destacamos as que seguem: 1. Compreender enunciados que envolvam códigos e símbolos físicos. 2. Utilizar e compreender tabelas, gráficos e relações matemáticas para a expressão do saber físico. Ser capaz de discriminar e traduzir as linguagens matemática e discursiva entre si. 3. Expressar-se corretamente utilizando a linguagem física adequada e elementos de sua representação simbólica. 4. Apresentar de forma clara e objetiva o conhecimento apreendido, através de tal linguagem. 5. Elaborar sínteses ou esquemas estruturados dos temas físicos trabalhados. 6. Desenvolver a capacidade de investigação física. 7. Observar, estimar ordens de grandeza, compreender o conceito de medir, fazer hipóteses, testar. 8. Conhecer e utilizar conceitos físicos. 9. Relacionar grandezas, quantificar, identificar parâmetros relevantes. 10. Compreender e utilizar leis e teorias físicas. 11. Construir e investigar situações-problema, identificar a situação física, utilizar modelos físicos, generalizar de uma a outra situação, analisar previsões.

14 Capítulo 2 Ferramenta Virtual para o Ensino de Circuitos Elétricos Neste capítulo daremos algumas argumentações para a utilização de uma ferramenta virtual como auxílio no ensino de circuitos elétricos e no passo seguinte faremos uma revisão teórica dos conceitos físicos que serão abordados e discutidos no uso do simulador computacional. O estudo relacionado a ciência requer atenção, principalmente no caso da Física, de acordo com [1], vários estudantes têm medo ou pensam que os assuntos da disciplina de Física são difíceis de serem aprendidos. O que pode contribuir para esse descontentamento por partes deles, é o pouco tempo de disponibilidade para aprimorar as habilidade, e que implica em dificuldades de dar continuidade ao ensino com mais detalhes. O ensino de Física, ainda de acordo com a [1], é um desafio para professores e alunos. Utilizando-se dos métodos tradicionais, ou seja, quadro e pincel ou giz, algumas coisas tornam-se difíceis de ensinar, como por exemplo, a eletricidade. Em Física tenta se criar modelos, abstratos, por exemplo,

15 CAPÍTULO 2. FERRAMENTA VIRTUAL PARA O ENSINO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS5 que representam alguma teoria, fica difícil para alguns alunos acompanhar o raciocínio. Então, seria melhor o uso de uma outra ferramenta que pudesse auxiliar e facilitar ainda mais a compreeesão dos alunos, como exemplo, um simulador. Segundo a [2], os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN), coloca que o ensino de Física deve ser voltado para a formação de um cidadão contemporâneo e atuante, com conhecimento suficiente, para intervir, participar e propor soluções para a realidade a sua volta. A visão do cidadão passa a ser mais ampla quando o mesmo procura através dos conhecimentos adquiridos na disciplina de Física, e passa a contextualizar e articular com as outras disciplinas. Bom, para que isso ocorra com eficiência, é necessário que o professor procure ferramentas que possam conjugar os assuntos vistos em sala de aula com o mundo real e atual. Alguns experimentos didáticos são extremamentes caros e de difícil acesso, fator que dificulta a sua utilização. O uso de computadores é extremamente mais acessível e amplamente disponível nas escolas públicas e particulares. Diante desse contexto, segundo a [3], a utilização das novas tecnologias e comunicação no ensino, como softwares educacionais, tem sido algo de grande interesse, e isso não é apenas um fenômeno nacional, os países desenvolvidos desenvolve uma política de incentivos nas instituições de ensino superior, para que o professor sai qualificado e preparado no uso dessas ferramentas. Os Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM), de acordo com a [4], têm objetivos de desenvolver competências e habilidades dos estudantes nas diferentes disciplinas, ao invés de focar apenas os conteúdos específicos de cada disciplina. Então, devido a essa nova reorga-

16 CAPÍTULO 2. FERRAMENTA VIRTUAL PARA O ENSINO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS6 nização curricular, os cursos de Licenciatura em Física devem trabalhar na preparação dos professores para os novos parâmetros curriculares. Dentre as competências e habilidades a serem desenvolvidas na área de Ciências da Natureza, como a Física, é a utilização de ferramenta computacional Eletronics Workbench 5.0 (EWB), que dispensa qualquer conhecimento de linguagem de programação. O EWB é simulador eletrônico, que permite construir e simular circuitos eletrônicos dentro de uma realidade virtual, mas, que não deixa de representar algo que é real. A implementação do simulador eletrônico EWB irá minimizar as dificuldades no processo de ensino aprendizagem dos circuitos elétricos, como coloca a [5], o conteúdo relacionado aos circuitos elétricos apresenta certas dificuldades, seja na fundamentação teórica, ou no uso de concepções alternativas. Diante dessa realidade descrita, a aplicação do EWB na simulação de experimentos de circuitos elétricos ainda pode auxiliar na compreensão de conceitos e suprir a carência de recursos dos laboratórios de Física, principalmente nas escolas públicas, particulares e até mesmo em algumas instituições de ensino superior. É possível através do EWB verificar e corrigir danos causados a elementos do circuito, devido a ligações inadequadas, sem nenhum custo e sem risco de acidentes, pois as lâmpadas ou os motores queimados são reparados com um simples clique, após ser corrigido o problema que originou a avaria. Enfim, o uso deste software permite aos estudantes interagirem diretamente com o conteúdo em estudo, através de experiências virtuais. Para realizar, em um laboratório real de Física, a variedade de práticas permitidas pelo aplicativo, seria necessário um investimento tanto na compra do

17 2.1. CORRENTE ELÉTRICA 7 material, como na sua eventual reposição. Uma outra vantagem prevista é a racionalização do tempo, tanto na preparação das aulas, como no seu desenvolvimento. Com o uso desse ambiente virtual de aprendizagem espera-se que haja um melhor aproveitamento do tempo, pois os alunos podem trabalhar e interagir também fora do horário normal das aulas, já que o mesmo em sala de aula é muito curto. Espera-se também que o ambiente virtual interativo seja um fator de motivação dos alunos para a aprendizagem. 2.1 Corrente Elétrica Com base nas [6] e [7], procuramos produzir uma rápida revisão teórica. Corrente elétrica estar associado ao movimento ordenado de portadores de carga elétrica. Neste caso, os portadores de carga elétrica são os elétrons livres nos condutores sólidos (metais) e os cátions e ânions, nos condutores eletrolíticos (soluções iônicas e líquidos). Os gases, normalmente isolantes, sob a ação de um forte campo elétrico podem se ionizar, apresentando como portadores de carga, íons positivos, íons negativos e elétrons livres. Usa-se ainda a expressão corrente elétrica, que vem da antiga concepção de eletricidade como um fluido, que supostamente poderia ser canalizada por condutores ou encanamentos hipotéticos, algo semelhante com a água corrente canalizada. Embora a analogia entre corrente elétrica e água corrente seja algo para facilitar a compreensão do que é uma corrente elétrica, mas, esses dois fenômenos apresentam algumas características muito diferentes. Enquanto na água encanada o que se movimenta é o líquido, e todo o

18 2.1. CORRENTE ELÉTRICA 8 líquido e qualquer partícula nele inserida se desloca com aproximadamente a mesma velocidade e no mesmo sentido, na corrente elétrica quem se movimenta são os portadores de carga que representam uma pequena parte do que é constituído o condutor, mesmo sendo muito numerosos. Quando o sentido de um campo elétrico aplicado permanece sempre o mesmo, os portadores de carga se deslocam (mesmo com baixa velocidade), em média, em um só sentido. corrente contínua, por exemplo, baterias e pilhas. Neste caso, temos a representação de uma No gerador mecânico-eletromagnético ou dínamo ou alternador, o sentido do vetor campo elétrico entre os seus terminais varia periodicamente, fazendo com que os portadores de carga nos condutores alimentados com este gerador praticamente não se desloquem, mas oscilem em torno de posições fixas, em um movimento de vaivém, em qualquer ponto do fio condutor. Neste caso, temos uma corrente alternada. As cargas positivas se deslocam, no condutor, no mesmo sentido do campo elétrico, ou seja, sentido do potencial maior para o potencial menor (do pólo positivo para o pólo negativo do gerador), sentido convencional. As cargas negativas se deslocam em sentido contrário ao campo elétrico, vão do potencial menor para o maior (do pólo negativo para o pólo positivo do gerador). Este é o sentido real da corrente elétrica. Considere um condutor retilíneo percorrido por uma corrente elétrica. Imagine, neste condutor, uma secção reta S, então, a intensidade da corrente (i), i = Q t, (2.1)

19 2.2. CIRCUITOS ELÉTRICOS 9 onde Q é a quantidade de cargas que percorre o condutor por t que é a variação do tempo, Q = ne, (2.2) sendo e = 1, C e n é número de elétrons que atravessam a secção reta do condutor. A intensidade de corrente elétrica de 1C/s é denominada 1 Ampère (1 A). 2.2 Circuitos Elétricos Um circuito elétrico é constituído por dispositivos nos quais é possível estabelecer uma corrente elétrica. Em um circuito elétrico em funcionamento, como existe corrente elétrica, e existem diferenças de potencial elétrico (tensões), haverá conversão de energia elétrica em outras formas de energia. Para que ocorra um circuito elétrico simples, deve haver, pelo menos, um gerador, condutores e um receptor ou uma resistência Estudo dos resistores Quando uma corrente elétrica passa por um condutor sólido, um número muito grande de elétrons livres se desloca nesse condutor e colidem entre si e também contra os átomos que formam o condutor. Devido a essas colisões, os elétrons livres encontram uma certa dificuldade para se deslocar, existe uma resistência à passagem de corrente elétrica. A grandeza física que mede essa dificuldade ou resistência à passagem de corrente elétrica é chamada resistência elétrica, que depende da sua espes-

20 2.2. CIRCUITOS ELÉTRICOS 10 sura, do seu comprimento e da condutividade elétrica do material de que é constituído o condutor (acondutividade está relacionada ao número de portadores de carga). temperatura. Além disso, a resistência elétrica também depende da Define-se a resistência elétrica (R) de um condutor pela razão, R = U i, (2.3) onde U é a diferença de potencial nas extremidades do condutor e i é a intensidade da corrente elétrica que o atravessa. A unidade ohm é representada pela letra grega omega (Ω), 1Ω = 1V 1A (2.4) Na associação de resistores temos dois tipos de arranjos, em série e paralelo. Resistores no arranjo em série são percorridos pela mesma corrente elétrica. Na figura abaixo, temos um exemplo de associação em série e o resistor equivalente. (a) (b) Figura 2.1: (a)associação de resistores em série. (b)resistor equivalente. Tomando a d.d.p. correspondente a cada resistor respectivamente (U1,

21 2.2. CIRCUITOS ELÉTRICOS 11 U2 e U3) e tilizando a equação de definição da resistência elétrica pode-se expressar as d.d.p(s) em cada resistor da seguinte forma, U 1 = R 1.i (2.5) U 2 = R 2.i (2.6) U 3 = R 3.i (2.7) U = R eq.i (2.8) Como a diferença de potencial é uma grandeza escalar que informa qual é o trabalho do campo elétrico, e como o trabalho elétrico total entre dois pontos é a soma dos trabalhos parciais, pode-se afirmar que a diferença de potencial total da associação é igual à soma algébrica das diferenças de potencial em cada resistor. Logo, podemos escrever, U = U 1 + U 2 + U 3 (2.9) R eq.i = R 1.i + R 2.i + R 3.i (2.10) Dividindo-se a última expressão por i, obtém-se a expressão do resistor equivalente (R eq ) numa associação em série, R eq = R 1 + R 2 + R 3 (2.11) Vale lembrar que a associação de resistores em série não é conveniente para aparelhos elétricos em uma residência, por exemplo. Se um aparelho estivesse desligado ou deixasse de funcionar, interromperia todo o circuito. Quando os resistores estão ligados de modo que são oferecidos dois ou mais caminhos para a corrente elétrica, se diz que a associação é em paralelo. O número de caminhos para a corrente elétrica é igual ao número de resistores e os terminais de todos os resistores devem estar ligados à mesma fonte de energia. Podemos observar a figura abaixo,

22 2.2. CIRCUITOS ELÉTRICOS Capacitores Figura 2.2: Associação de resistores em paralelo. Um capacitor é um dispositivo muito usado em circuitos elétricos a função de armazenar cargas e, portanto, energia elétrica. Existe o capacitor plano, o capacitor cilíndrico, o capacitor esférico, etc. Independente do tipo, o capacitor é sempre representado pelo símbolo abaixo, Figura 2.3: Capacitor. Para carregar um capacitor, este deve ser ligado aos terminais de um gerador, de forma que a placa positiva seja ligada ao pólo positivo do gerador e, a negativa, ao pólo negativo do gerador. Diz-se, então, que o capacitor fica carregado com uma carga Q. A quantidade de carga adquirida pelo capacitor depende da ddp do gerador. A relação entre a carga Q armazenada e a ddp U do gerador é uma constante característica do capacitor, chamada capacitância ou capacidade elétrica C do capacitor, C = C Q, (2.12)

23 2.2. CIRCUITOS ELÉTRICOS 13 onde a unidade de capacidade no S.I é o coulomb por volt (C/V), que recebe o nome de Farad (F), em homenagem a Michael Faraday. O capacitor tem a função de armazenar energia durante um certo tempo, assim, num dado momento, de acordo com a necessidade, fornecer essa energia às cargas para manter a corrente elétrica. No trecho em que o capacitor está inserido não há passagem de corrente contínua, caso contrário, haveria descarga entre as armaduras, danificando o dispositivo Diodo O diodo é um componente elétrico que permite que a corrente atravesse-o num sentido com muito mais facilidade do que no outro. O tipo mais comum de diodo é o diodo semicondutor, no entanto, existem outras tecnologias de diodo. Diodos semicondutores são simbolizados em diagramas esquemáticos como na figura abaixo. Figura 2.4: Representação do diodo. As importantes características dos diodos são: a corrente máxima de fuga, que é a corrente que escapa quando o ele está polarizado inversamente, influenciada quase linearmente pela temperatura; a velocidade de resposta, que é o tempo que leva para o diodo ligar e desligar, informação importante quando se trabalha com altas freqüências; a corrente de surto, que é a corrente máxima que o diodo pode suportar por um tempo muito curto; e a

24 2.2. CIRCUITOS ELÉTRICOS 14 capacitância que se forma no diodo quando este é polarizado inversamente, outra informação importante em altas freqüências. Um conjunto de diodos do mesmo tipo associados em série apresenta uma capacidade de corrente direta igual à capacidade de cada unidade. A tensão máxima reversa, entretanto, será a soma das tensões máximas reversas individuais. É importante que os diodos sejam do mesmo tipo, ou haverá uma distribuição irregular da tensão entre eles, causando a ruptura em um valor inferior a esta soma. Figura 2.5: Associação de diodos em série. A montagem de diodos em paralelo costuma ser problemática, e deve ser substituída por um único diodo com maior capacidade de corrente sempre que possível. Nos diodos associados em paralelo, a tendência será de que aquele com a menor barreira de tensão comece a conduzir primeiro, assumindo a maior parte (senão toda) a corrente do circuito. Figura 2.6: Associação de diodos em paralelo.

25 Capítulo 3 Eletronics Workbench 5.0 (EWB) Para iniciar o EWB, dê um duplo clique no seu ícone na área de trabalho ou vá para iniciar Programas Eletronics Workbench 5.0. A seguinte tela será exibida: Figura 3.1: Tela inicial do EWB.

26 CAPÍTULO 3. ELETRONICS WORKBENCH 5.0 (EWB) 16 De acordo com a [7], podemos inserir um componente na área de trabalho, quando clicamos na caixa de componentes que o contém. Por exemplo: resistores, capacitores, indutores encontram-se na caixa de componentes cujo ícone é relativo a figura 3.2(a). Dando um clique nesse ícone, será aberta a caixa de componentes chamada Básica, figura 3.2(b). (a) Figura 3.2: (b) (a)ícone para a caixa de componentes (b)caixa de componentes. Fonte de tensão, de corrente, terra e outro,elementos assemelhados encontram-se na caixa de componentes cujo ícone é semelhante ao da figura 3.3(a). Dando um clique nesse ícone, será aberta a caixa de componentes chamadas Fontes, figura 3.3(b). (a) Figura 3.3: (b) (a)ícone para a caixa de componentes fonte (b)caixa de componentes fonte. Para colocar qualquer um dos componentes na área de trabalho, clique com o botão esquerdo do mouse no símbolo do componente e arraste para a área de trabalho. Selecionando um componente, você pode modificar qualquer coisa (dar valor, girar, deletar, etc.) em um componente, é preciso primeiro seleciona-lo. Para selecionar, dê um clique nele ou arraste o mouse em cima

27 CAPÍTULO 3. ELETRONICS WORKBENCH 5.0 (EWB) 17 do componente o qual, quando selecionado, ficará destacado em vermelho. Girando o componente, podemos girar um componente, selecione-o, inicialmente dando um clique nele ou arrastando o mouse sobre ele. Para indicar a seleção, o componente fica vermelho. Vá para Circuito Girar ou CTR+R ou usando um dos ícones da Barra de Ferramentas de circuito, de acordo com a figura 3.4, vejamos, Figura 3.4: Girar um componente. Conectando os componentes, para conectar dois componentes ou instrumentos, aponte para um dos terminais, que ficará destacado, e arraste com o botão esquerdo até aparecer uma linha. Aponte para o terminal do outro componente (sem soltar o botão esquerdo do mouse) e quando ele ficar destacado também, solte o botão e um fio ligará automaticamente os dois terminais. Para conectar dois ou mais fios, use o conector que está na caixa de componentes básicos, Figura 3.5: Conector de fios. Dando valor ao componente, sendo que cada componente possui um valor pré-configurado. Por exemplo, o default (pré-configuração) do resistor é 1KΩ e o da fonte é 12V. Para alterar o valor do componente, dê um

28 CAPÍTULO 3. ELETRONICS WORKBENCH 5.0 (EWB) 18 duplo-clique nele, ou alternativamente você pode usar a Barra de Ferramentas Circuito Propriedade do componente. Em qualquer caso será aberta a caixa de diálogo mostrada na figura 3.6. (a) (b) Figura 3.6: (a)caixa de Propriedade de Resistor (b)caixa de Propriedades de Bateria. Para deletar um componente, selecione o componente e vá para Editar Apagar, ou com o componente selecionado aperte a tecla Delete (ou Del do teclado numérico com Num Lock desativada). Em qualquer caso aparecerá uma caixa de diálogogo pedindo a confirmação. Use o atalho (clique com botão direito em cima do componente a ser deletado).

29 CAPÍTULO 3. ELETRONICS WORKBENCH 5.0 (EWB) 19 Figura 3.7: Caixa de Diálogo para confirmação de apagar o item selecionado. Salvando o circuito, podemos usar ou fazer alterações futuras, você deve salvar o seu trabalho. Vá para Arquivo Salvar ou use Ctrl + S. Em qualquer caso aparecerá a caixa de diálogo da figura 3.8, Figura 3.8: Menu Arquivo aberto com a opção Salvar habilitada. Personalizando uma caixa de ferramenta, se formos construir um circuito que tem bateria, resistores, transistores, diodos, lâmpadas, teremos que abrir cinco caixas diferentes. É possível colocar todos esses componentes

30 3.1. MULTÍMETRO 20 em uma mesma caixa chamada de Favoritos. Para adicionar o componente à caixa Favoritos, abra a caixa em que está o componente, em seguida dê um clique com o botão direito do mouse em cima do símbolo componente e clique em adicionar a favoritos. 3.1 Multímetro Como coloca a [8], a representação do multímetro usado é digital. É o primeiro instrumento da Barra de Instrumentos. (a) (b) (c) Figura 3.9: (a)multímetro- ícone. (b) Multímetro aberto, (c) Janela de ajuste do multímetro.

31 3.1. MULTÍMETRO 21 A Figura 3.9 (a) é o seu ícone que representa o multímetro e na figura 3.9(b) é o multímetro aberto (dar clique duplo para abrir cada instrumento) ajustado para medir tensão contínua. A ilustração abaixo, figura 3.10, mostra o multímetro sendo usado como amperímetro. Para se medir a intensidade de corrente que circula por um Figura 3.10: Amperímetro. dado componente ou trecho de um circuito o amperímetro deve ser colocado em série. A ilustração, figura 3.11, a seguir mostra o multímetro sendo usado como voltímetro. Observe que, para a medida de uma diferença de poten- Figura 3.11: Voltímetro. cial (tensão) entre dois pontos (os terminais do resistor R2, na ilustração) o voltímetro é conectado em paralelo. A ilustração, figura 3.12, abaixo mostra o multímetro sendo usado como

32 3.2. GERADOR DE FUNÇÕES 22 ôhmímetro. Figura 3.12: Ôhmímetro. O ôhmímetro não deve ser usado com o circuito conectado à fonte de alimentação. Ele não trabalha da mesma maneira que o voltímetro e o amperímetro. Esses dois usam a fonte de alimentação do circuito para suas leituras; o ôhmímetro não, ele tem sua própria fonte de tensão. Além disso, o componente cuja resistência está sob medição deve ser retirado do circuito. Na ilustração, o resistor R1 foi retirado para uma perfeita medição do valor de sua resistência. 3.2 Gerador de Funções O gerador de funções do software EWB pode produzir sinais quadrados, triangulares ou senoidais na faixa de freqüências que vai de 1Hz a 999Mhz. A figura 3.13 mostra o aspecto do nosso gerador de funções quando aberto. O osciloscópio é um dos instrumentos mais versáteis em um laboratório, permitindo medir tensão ao mesmo tempo que a forma da onda é visualizada. O osciloscópio usado é o padrão, com dois canais, permitido, portanto, amos-

33 3.2. GERADOR DE FUNÇÕES 23 Figura 3.13: Gerador de Funções: Senoidal, Triangular e Quadrada. trar duas formas da onda ao mesmo tempo. A figura 3.14 mostra o ícone e o osciloscópio com os principais controles. Figura 3.14: Osciloscópio. X POS: Desloca a forma de onda na horizontal (limite 5 a +5). Y POS: Desloca a forma de onda na vertical (limite 3 a +3). Y/T: Mostra a forma de onda em função do tempo (caso mais comum). Deixe essa opção sempre selecionada.

34 3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE Proposta para Atividade O seguinte questionário pode ser aplicado para os alunos do ensino médio e do ensino superior do curso de Física. As informações e observações podem despertar a participação dos alunos, dentro do contexto da [9] e [10], o professor nas aulas práticas e nas discussões teóricas podem usar como sugestão as questões abaixo Usando o multímetro virtual Como coloca a [11], podemos iniciar as observações medindo a corrente total que flui da bateria. Onde deveremos posicionar o amperímetro, no ponto X, Y ou Z? Queremos medir a d.d.p. através da lâmpada L2. Escolha dois pontos(x, Y, Z) para conectar o voltímetro. Para medir a resistência de qualquer uma dessas lâmpadas, como devemos proceder? Figura 3.15: Circuito.

35 3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE 25 Na associação abaixo, determine o valor da resistência equivalente entre os pontos A e E. Figura 3.16: Associação de resistores em série. Na associação abaixo, qual deve ser a resistência equivalente entre os pontos A e H? Figura 3.17: Associação de resistores em paralelo Controle de corrente por diodo Observe os circuitos abaixo, de acordo com a [12], responda às perguntas, Figura 3.18: Exemplo de Circuito.

36 3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE 26 A lâmpada irá acender quando a chave for fechada? Se a bateria for invertida, a lâmpada acenderá? Explique. Figura 3.19: Exemplo de Circuito. Que lâmpada(s) deve(m) acender quando a chave for fechada na figura Explique o que ocorre. E se a bateria for invertida, que lâmpada(s) deve(m) acender ao fecharmos a chave? Explique o que ocorre. Que lâmpada(s) deve(m) acender antes de a chave ser fechada no circuito? Que lâmpada(s) deve(m) acender após a chave ser fechada? Se a bateria for invertida, que lâmpada(s) deve(m) acender antes e depois de a chave ser fechada? Usando um osciloscópio para observar a retificação Se fizermos uso de um osciloscópio, e de posse das idéias da [13], podemos observar claramente o papel de um diodo em um circuito submetido a corrente alternada. Veja um esquema de um circuito simples, sem diodo, que sofre a

37 3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE 27 Figura 3.20: Exemplo de Circuito. influência direta de corrente alternada. Ao aplicarmos uma corrente alternada no circuito, observamos que os potenciais aplicados através do resistor de carga (1kΩ), variam senoidalmente. Vejamos agora o que acontece quando adicionamos um diodo ao circuito, Nesse caso temos um gráfico com uma forma de onda diferente do visto anteriormente. Nos dois casos vistos acima, o gerador de sinais pode ser substituído por um transformador simples de 220/12V. Ao utilizarmos o gerador de sinais, teremos a possibilidade de substituir o osciloscópio por um galvanômetro que oscile positiva e negativamente. Como você explicaria a mudança que se observa no gráfico quando adicionamos o diodo? Se revertermos o diodo, o que muda? Se fizermos um curto-circuito através do diodo, o que acontece?

38 3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE 28 Figura 3.21: Circuito Corrente Alternado Usando diodos em circuitos de corrente alternada Use uma fonte de corrente alternada de baixa voltagem para ver o que acontece ao bulbo de uma lâmpada no circuito a seguir, Podemos observar que a lâmpada acendeu. Você pode explicar como isso ocorreu? A corrente que passa pela lâmpada é alternada ou contínua? Que relação pode ser feita com o experimento anterior? De acordo com o que você sabe, a lâmpada fica acesa de forma ininterrupta? Repita o experimento anterior adicionando outro diodo, conforme mostra a figura 3.24,

39 3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE 29 Figura 3.22: Circuito Corrente Alternado adicionado com o Diodo. O bulbo acendeu? Explique o que aconteceu? Reorganize o circuito de acordo com a figura 3.25, Que lâmpadas acenderam? Por que?. Elas acenderam ao mesmo tempo ou de forma alternada? Observe agora o circuito abaixo, Alguma lâmpada acende quando a chave está aberta?qual? E após fechar a chave, o que muda? Compare a sua resposta com a do experimento anterior e explique o que você entendeu?

40 3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE 30 Figura 3.23: Circuito Corrente Alternado com um Diodo e uma Lâmpada. Figura 3.24: Circuito Corrente Alternado com dois Diodos e uma Lâmpada Retificação de meia onda Como os experimentos anteriores mostraram, podemos transformar uma corrente alternada em uma corrente contínua. No entanto, vimos que seu valor oscila entre um valor de pico que é atingido uma vez a cada ciclo da corrente alternada, e o valor zero que é mantido a cada meia onda da corrente alternada. Para resolvermos esse problema, podemos fazer uso de um capacitor. Monte o circuito da figura 3.27, de modo que diferentes capacitores possam ser usados. Ao montarmos o circuito acima descrito, usando o osciloscópio, podemos

41 3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE 31 Figura 3.25: Circuito em um novo formato. Figura 3.26: Circuito em um novo formato. encontrar um gráfico aproximado do mostrado logo abaixo, vejamos, No gráfico acima temos uma comparação do gráfico encontrado quando fazemos uso de um capacitor e quando não usamos o capaitor. Explique com suas palavras o que aconteceu com o sinal gerado. O que ocasionou essa mudança?

42 3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE 32 Figura 3.27: Circuito com capacitor Retificador de onda completa Vimos anteriormente que a corrente aproveitada no circuito era apenas metade da de um ciclo completo, ou seja, tínhamos o desperdício de metade da energia que nos era fornecida. Desse modo não estávamos utilizando todo o potencial da corrente fornecida e consequentemente não fornecemos toda a corrente contínua que poderámos. A partir dessa constatação, podemos contornar o problema com o uso de um retificador de onda completa, figura Para completar o processo basta que, semelhante ao que foi feito com o retificador de meia onda, se adicione um capacitor ao circuito, figura 3.30.

43 3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE 33 Figura 3.28: O uso do osciloscópio. Figura 3.29: Retificador de onda completa.

44 3.3. PROPOSTA PARA ATIVIDADE 34 Figura 3.30: Retificador de meia onda completa.

45 Capítulo 4 Conclusões Neste trabalho de monografia, propusemos e discutimos sobre um simulador computacional, Eletronics Workbench 5.0 (EWB), para aplicação no laboratório de circuitos elétricos. Utilizando alguns exemplos que são feitos em sala de aula, onde o professor utiliza meios abstratos, com auxílio do quadro branco, pincel e suas habilidades de desenho, torna-se difícil de alguns alunos acompanharem, daí a necessidade de uma ferramenta que facilite essa compreensão, então, utilizando o simulador computacional EWB, ele mostra-se bastante conveniente para tal abordagem. Além disso o professor pode acompanhar os alunos durante a montagem e análise dos circuitos, trabalhando os conteúdos teóricos de forma prática. O simulador computacional EWB foi completamente descrito, onde foi possível visualizar os ícones referentes aos dispositivos essenciais para a montagem e análise de um circuito elétrico. O simulador computacional EWB também é possível mostrar a compreensão dos enunciados que envolvem códigos e símbolos físicos, a utilizacão de gráficos e relações matemáticas para a expressão do saber físico. Ser capaz de discriminar e traduzir as lin-

46 CAPÍTULO 4. CONCLUSÕES 36 guagens matemática, expressar-se corretamente utilizando a linguagem física adequada e elementos de sua representação simbólica. O professor de posse do EWB pode desenvolver a capacidade de investigação física dos alunos, procurar aprimorar as estimativas de ordens de grandeza, conhecimento e utilização dos conceitos físicos. Desenrolar situações-problema, identificando a situação física, modelos físicos, generalizando de uma a outra situação, e fazer previsões. O tratamento permite, dessa forma, que alunos coloquem em prática os conteúdos que são colocados em sala de aula, ou seja, através de uma realidade totalmente virtual, as idéias colocadas com o auxílio do simulado computacional EWB, mas que não deixam de ser aplicados no mundo real, na realidade dos próprios alunos.

47 Referências Bibliográficas [1] ALBINI, Fábio L. P. e GONZÁLEZ-BORRERO, Pedro P.. Sistema Web de Ensino Voltado aos Conteúdos da Física. Departamento de Informática, Instituto Federal do Paraná (IFPR), 20 de Janeiro de [2] OLIVEIRA, Rodrigo Pereira. Realidade Virtual no Ensino de Física: Explorando o Conceito de Queda Livre. Revista: Realidade Virtual, UFRJ, volume 3, número 1, Junho de [3] VEIT, E. A. e TEODORO, V. D. Modelagem no ensino/aprendizagem de Física e os novos parâmetros curriculares nacionais para o ensino médio. Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRS), Porto Alegre, RS, Brasil. [4] CONSELHO NACIONAL DE EDUCAÇÃO. Parecer CNE/CP 027/2001 e CNE/CP 028/2001, 2 de outubro Disponível em: [5] SILVA, Alexandre Carvalho; RIBEIRO, Marcos Wagner Souza; RAI- MANN, Eliane e ROXA, Hugo Xavier. O Uso de Realidade Virtual Como Ferramenta Complementar no Ensino dos Circuitos

48 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 38 Elétricos no Ensino Médio. Sexto Workshop de Realidade Virtual e Aumentada, [6] Gaspar, A., Experiências de Ciências para o Ensino Médio. São Paulo: Ática, [7] Resnick, R. e Halliday, D., Física III, Livros Técnicos e Científicos, [8] Albuquerque, Rômulo Oliveira. Análise e Simulação de Ciruitos no Computador. São Paulo: Editora Érica Ltda., [9] PCN- Parâmetros Curriculares Nacionais: Ensino Médio. Brasília: Ministério da Educação, [10] Azevado, Breno Fabrício Terra. Tópicos em construção de software Educacional. UFES.Vitória,1997. Disponível em [11] Tajra, Sanmya Feitosa. Informática na Educação: novas ferramentas pedagógicas para o professor da atualidade. 2.ed. São Paulo: Érica, [12] Turner, L. W. Circuitos e Dispositivos Eletrônicos. Editora Hemus. [13] Braga, Newton C. Saber Eletrônica. Editora Saber Ltda.