GUIA DO PROFESSOR CIRCUITO ELÉTRICO Introdução O processo de construção do conhecimento em geral e, em especial, em relação aos conceitos da Física, a serem empreendidos pelas escolas, deveria ser direcionado pela realidade educacional e pelo projeto pedagógico de cada escola. Além disso, no caso dos conceitos da Física, mesmo os do cotidiano, estes não têm qualquer significado para o aluno quando trabalhados de forma fragmentada. Competências em Física se constroem quando articuladas com outras áreas do conhecimento, mas principalmente quando trabalhadas com os conhecimentos anteriores do aluno, ganhando sentido quando tudo é apresentado de forma integrada: novas informações articuladas com os conhecimentos anteriores e, sempre que possível tudo deveria ser relacionado com o cotidiano do aluno. Ao utilizar diferentes aparelhos eletrodomésticos dentro de sua própria casa muitas vezes o aluno não imagina a física necessária para o funcionamento esperado: mecânica (ao girar as hélices), elétrica (corrente elétrica fornecida pela tomada), rendimento e trabalho (e suas perdas através do calor). Ao conhecer os conceitos físicos e sua linguagem (matemática), se o aluno souber identificar, relacionar grandezas e relacionar o conceito físico com o cotidiano e suas outras formas de expressão da cultura humana, teremos atingido o objetivo esperado da aplicação prática do que é aprendido nas teorias e leis. Diante de tais perspectivas, acreditamos que a utilização deste módulo Circuito Elétrico, um recurso lúdico e construtivo, além de uma ferramenta importante para o processo de ensino e aprendizagem, poderá auxiliar o aluno a 1
refletir, por meio da experimentação em atividades dinâmicas e interativas, compatíveis com o seu contexto e vivência. Portanto, a partir da premissa que considera tanto a articulação entre áreas do conhecimento, quanto entre os saberes cognitivos anteriores e os novos, e cientes da dificuldade que os alunos têm para a compreensão e a visualização do conteúdo que abrange a eletrônica pela falta de métodos e recursos adequados, propõe-se uma aprendizagem experimental, através do presente objeto: Circuito Elétrico. Ressalte-se a importância do aluno compreender os conceitos elétricos até para a conservação e manutenção de aparelhos eletrônicos existentes em sua casa. Nesta temática, estão incluídos os elementos: corrente elétrica, resistência elétrica (em série ou em paralelo), capacitores elétricos, potência elétrica e diferença de potencial elétrico (d.d.p.) e as propriedades dos materiais (resistividade e condutividade: material isolante ou condutor). Portanto, o Objeto abrange conceitos intrínsecos do Circuito como corrente elétrica, resistências em série ou em paralelo, geradores elétricos para fornecer energia (diferença de potencial elétrico) e condutores elétricos (fios) e o desafio ao aluno para verificar quais são as melhores maneiras de construir o Circuito Elétrico para obter-se um melhor rendimento dos aparelhos eletrônicos. Em seu cotidiano as pessoas deparam-se com inúmeros equipamentos elétricos e eletrônicos, máquinas e instrumentos dependentes da física dos Circuitos. Quando são conhecidas as propriedades dos materiais dos quais são feitos os fios dos Circuitos, por exemplo, é possível entender propriedades como resistividade e condutividade. Compreender a diferença entre resistências colocadas em série e em paralelo significa notar a diferença do rendimento de um circuito, ou seja, significa compreender, por exemplo, que se obtém menor luminosidade de duas lâmpadas quando elas ficam dispostas ou associadas em paralelo, pois a corrente se divide. Portanto, ao entender as especificações indicadas nos aparelhos eletrônicos tais como voltagem e amperagem, o usuário do módulo poderá fazer melhor uso deles e entenderá como conservá-los por maior tempo. 2
Uma das razões porque a instalação elétrica de uma casa precisa ser checada de vez em quando é porque um fio descascado pode ser uma fonte de perda/desperdício de energia ou a causa de um choque elétrico ou até de um incêndio. Quando a corrente que passa pelo fio excede a sua capacidade o calor produzido pode provocar um curto-circuito, ou seja, a corrente elétrica atravessa o fio sem nada para lhe oferecer resistência e, como conseqüência, pode queimar o fio ou os aparelhos eletrônicos ligados a esse fio. Um exemplo comum dessa sobrecarga de corrente elétrica acontece em um chuveiro elétrico e a gente precisa trocar o fusível porque ele queimou. Normalmente se reclama, mas este fusível é a nossa salvação, pois eles são compostos de fios finos que se fundem quando a corrente elétrica fica muito alta e interrompe a passagem da corrente elétrica, evitando assim problemas maiores. Mas, grande sobrecarga vem também de uma descarga elétrica de um raio durante uma tempestade, por isso é comum a utilização de aparelhos que brecam essas cargas elétricas repentinas; quando os protetores ou filtros de linha não são suficientes os equipamentos eletrônicos geralmente queimam. Uma solução que os mais velhos utilizam é desligar os eletrônicos das tomadas quando começa a trovejar, talvez os alunos, depois deste Objeto, possam explicar aos seus pais a razão desse costume! Objetivos - Indicar os elementos que caracterizam a montagem de um circuito elétrico utilizando diferentes componentes e diferentes aparelhos resistivos para que o aluno possa compreender as condições elétricas indicadas pelo aparelho e obter o seu melhor funcionamento. Verificar que, com uma diferença de potencial elétrico (voltagem) em um circuito elétrico fechado surge uma corrente elétrica (ampère) que será diretamente proporcional a essa diferença de potencial elétrico (volt), e 3
dependente da resistência elétrica (ohm). A relação entre estes fatores é conhecida como Lei de Ohm ( U = RI ), Observar que, quando se tem uma fonte de maior potencial elétrico maior será a corrente que passa no circuito, conforme a Lei de Ohm. Contudo, colocando muitas lâmpadas ou ventiladores (resistores) a corrente vai se dividir entre eles e o resultado vai ser lâmpada com menos brilho, ventiladores mais fracos, etc. Identificar a diferença no resultado do circuito elétrico quando os resistores são dispostos em série e quando em paralelo. - Experimentar o resultado e o perigo de se conectar vários aparelhos de tensão ou diferença de potencial (d.d.p) alta na mesma fonte, o perigo dos curtos-circuitos e das instalações provisórias e a importância da manutenção desses aparelhos e dos circuitos elétricos. - Compreender a importância de conhecer o funcionamento de uma ligação elétrica na prática, esperando que o próprio aluno naturalmente aplique a lição no cotidiano e discuta com amigos e familiares diferentes maneiras de conservação e manutenção dos aparelhos eletrônicos e dos cuidados necessários com os circuitos elétricos. - Experimentar fios de diferentes capacidades de condução da corrente elétrica para observar que existe material bom condutor (baixa resistividade elétrica) de energia e também material mal condutor ou isolante (alta resistividade elétrica). - Compreender que aparelhos fabricados para funcionarem com voltagem de 110 V queimam quando ligados em uma fonte de 220 V (sobrecarga) e no caso contrário o aparelho pode não queimar, mas seu rendimento será muito baixo. Pré-requisitos Espera-se que o aluno tenha um conhecimento prévio sobre os conceitos abordados: resistividade, fios (isolantes ou condutores), Lei de Ohm, corrente 4
elétrica, resistência elétrica (em série ou em paralelo), capacitores elétricos, potência elétrica e diferença de potencial elétrico (d.d.p.). Portanto, sugere-se que o professor aborde o assunto em sala de aula antes, durante e após a utilização do Objeto. Esses elementos elétricos e seus respectivos símbolos serão destacados no Objeto, em uma tabela ao lado para montagem do circuito elétrico. Aconselha-se também que seja realizada durante a aplicação do OA uma breve reflexão sobre o processo de montagem de circuitos elétricos, por exemplo, utilizando a Internet e livros como fontes de pesquisa indicados na bibliografia. Tempo previsto para as atividades Sugere-se que o OA seja trabalhado em uma aula de 50 minutos, lembrando que é importante que o aluno tenha conhecimento prévio (mas não total, pois isso se fará durante o uso do objeto, caracterizando a construção co conhecimento a partir da experiência), dos conceitos trabalhados. Após o trabalho na sala ambiente de informática, sugerimos atividades complementares, que poderão servir para o processo de avaliação, tais como: elaboração de textos em forma de redação discursando sobre os conceitos e atividades práticas trabalhadas no Circuito, apresentações em feiras de ciências de circuitos reais montados a partir do planejamento no objeto, pesquisa em livros, jornais e revistas, entre outras fontes. Assim, ressaltando que esta pode ser uma atividade interdisciplinar que alia diferentes disciplinas, envolvendo Língua Portuguesa (na elaboração dos textos), Artes (desenho dos circuitos elétricos), História (pesquisa sobre a história da eletricidade, descoberta da corrente elétrica ou quais foram os primeiros circuitos), Matemática (cálculos de corrente elétrica, rendimento ou voltagem), Geografia (quais localidades do território nacional ainda não possuem eletricidade? E quais são as diferenças regionais de voltagem), entre outras. Na sala de aula 5
É aconselhável que o professor, após a aula de Eletrodinâmica, estimule um debate entre os alunos, que os leve a refletir sobre qual a importância de se estudar conceitos intrínsecos do circuito como: corrente elétrica, resistência elétrica, capacitores elétricos, potência elétrica, resistores em série e em paralelo, diferença de potencial elétrico (d.d.p.) e quais são as melhores maneiras de manutenção, conservação e ainda economia de energia. O professor pode utilizar o OA, solicitando que os alunos construam circuitos de diversas maneiras de acordo com a programação do professor e sugestões do aluno experimentador/cientista (liberdade para experimentar). Podem ser propostos desafios que estimulem a criatividade na elaboração de Circuitos mais complexos; exibição do objeto em feiras de Ciências e até projetar o Circuito no objeto que posteriormente possa ser concretizado em uma aula prática. Preparação Em todas as atividades, tanto em sala de aula quanto nas salas ambientes de informática das escolas públicas, sugere-se que os alunos sejam estimulados a trabalhar em grupo, e o professor deverá incentivar as discussões, a observação, o questionamento e principalmente o pensar de todos para que a aula seja uma experiência enriquecedora. Sugere-se que na atividade de montagem do OA haja oportunidade de uso individual para que o aluno possa montar o seu circuito sem limitações e analisar o seu funcionamento com os componentes escolhidos por ele. É pertinente a utilização de lápis e papel para anotações e eventual formulação de textos e glossários, e também se recomenda o uso da Internet, quando disponível, e livros textos para pesquisas. Requerimentos técnicos 6
Para utilização do OA é necessário navegador WEB com plug-in do Adobe Flash Player ou superior. Dica: o plug-in está disponível em www.adobe.com.br Durante a atividade No decorrer da atividade é importante a presença do professor para esclarecimentos de eventuais dúvidas. Também é importante que o professor acompanhe quais serão os maiores interesses dos alunos para que, em um segundo momento, possa explorar melhor o tema em sala de aula, por meio da manipulação de objetos concretos ou mesmo no Laboratório de Informática, utilizando as ferramentas disponíveis. Os alunos também devem fazer anotações pessoais para usufruírem posteriormente destas, na formulação de um texto ou de um trabalho, assim o professor poderá realizar uma avaliação formativa, percebendo os avanços e dúvidas dos alunos. Depois da atividade Questões para discussão - Quais são as relações entre os componentes de um Circuito? Pretende-se que o aluno relacione as funções particulares de cada componente com as causas e conseqüências dentro do Circuito. - Quais fatores externos e internos interferem no rendimento de um aparelho eletrônico? Analisando o comprimento do fio, tipo de material, disposição de resistores, se o aparelho sofre manutenções periódicas são exemplos de ocorrências que divergem um Circuito de outro. - Qual a razão para não utilizar aparelhos elétricos mexendo em água? - Por que devemos nos certificar da voltagem de uma tomada antes de ligar um aparelho? 7
Dica O professor pode realizar ou incentivar os alunos a participarem de uma feira de Ciências com experimentos eletrônicos onde os alunos montem Circuitos elétricos na prática. Por exemplo, a experiência com a bateria, pilha e lâmpada de lanterna é simples e sem grandes custos financeiros. Não encontram-se grandes barreiras para localizar estes componentes: em oficinas de serviços gerais e auto elétricas às vezes sobram materiais deste tipo. O professor pode negociar com a loja para o fornecimento atacado, distribuindo assim material suficiente para toda a sala. Também sugerimos que seja realizado um concurso de idéias ou invenções e até palestras com especialistas no assunto (que sejam convidados pelo professor ou pelos próprios alunos), ou até mesmo uma visita a uma oficina elétrica, visando esclarecer as dúvidas mais freqüentes e incentivando a pesquisa e a experimentação. Avaliação Sendo possível, pode-se trabalhar o módulo várias vezes e o professor propor uma infinidade de circuitos com diferentes graus de complexidade. Observar as repostas dos alunos, verificando o que já sabiam, tópicos que gostaram, o que deveria ser aprofundado, e, então, debater e esclarecer as idéias na sala de aula comum (quadro e giz). A avaliação pode ser baseada na evolução do aprendizado e coerência nos argumentos às questões colocadas para discussão. Atividades complementares - Para saber mais - Ler os textos propostos na bibliografia; 8
- Passar adiante as informações de manutenção e outros cuidados necessários para que os aparelhos eletrônicos tenham maior tempo de vida útil; para se evitar choques elétricos, curto circuitos, etc... - Montar um gráfico ou tabela, através dos dados obtidos durante a utilização do módulo, onde o aluno possa comparar as diferenças entre os arranjos de resistores, os tipos de materiais que são condutores ou isolantes e quais são os tipos adequados de Circuitos para cada instalação; - O professor também pode propor um debate aberto, onde o aluno discutirá os conceitos e curiosidades aprendidas. Bibliografia BRASIL, Secretaria de Educação Fundamental. Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio: Física/ Secretaria da Educação Fundamental. Brasília: MEC/ SEF, 2000. Ática, 2000. GASPAR, A.; Física 3 Eletromagnetismo e Física Moderna. São Paulo, HALLIDAY, D.; RESNICK, R. & WALKER, J. Fundamentos de Física. Ed. LTC 6ª ed. 2001. GREF, Física 3 Eletromagnetismo. Ed. Edusp 5ª ed. 1995 TIPLER, P. A. Física. Ed. Guanabara Dois, RJ. 2ª ed. 1985 YOUNG, H. D. & FREEDMAN, R.A. Sears e Zemansky Física III: Eletromagnetismo. Ed. Pearson Addison Wesley 10ª ed. 2004, 4ª reimpressão 2007. Sites Acessados: 9
Disponível em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_t01.asp Acessado em: 12/06/2007. Disponível em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala02/02_085.asp Acessado em: 12/06/2007. Disponível em http://www.udel.edu/present/showcase/watson/circuit.html Acessado em: 12/06/2007. 10