1 1) PROBLEMATIZAÇÃO Como é bom tomar um banho quente num dia frio de inverno; secar os cabelos com o secador; ir até a cozinha fazer torradas bem quentinhas na torradeira para acompanhar aquele café que acabou de sair da cafeteira elétrica, não é? Mas espere aí, o que tem nesses aparelhos que ao ligá-los à rede elétrica, funcionam? UM RESISTOR ELÉTRICO O resistor elétrico é um dispositivo que está presente no cotidiano das pessoas de diferentes formas. Ainda que não seja muito perceptível, seus efeitos ou, na pior das hipóteses, a falta deles faz com que seja bastante notado. Uma forma de perceber a ação desse dispositivo é através do motor da geladeira. Você já reparou como é quente atrás dela? Algumas pessoas têm o péssimo hábito de colocar pano de prato, ou até calça jeans, para secar próximo ao motor da geladeira, o que ocasiona um esforço do motor e acaba fazendo com que mais energia seja consumida. Também é possível notá-lo através do aquecimento de alguns aparelhos em funcionamento, por exemplo: a TV, o DVD, o computador, os carregadores de pilhas e os celulares, enfim, aparelhos elétricos ou eletrônicos em geral. Quando um chuveiro elétrico queima ou quando se opta pela compra de outro modelo, procura-se saber se o seu aquecimento é bom. O elemento do circuito do chuveiro responsável pelo aquecimento da água é o resistor elétrico. Será, então, que os resistores têm apenas a função de transformar energia elétrica em térmica? A partir de agora, você conhecerá um pouco mais os resistores elétricos e obterá respostas para diversas questões do dia-a-dia. Figura 1 2, 3, 4 : Ilustrações de diversos tipos de resistores elétricos.
2) PERGUNTAS-CHAVE 2.1) Faça um levantamento dos eletrodomésticos e de outros dispositivos elétricos ou eletrônicos da sua casa. Selecione dez e liste-os na primeira coluna da tabela a seguir. Assinale um X na segunda coluna para aqueles que você considera que possuem resistor(es) em seus circuitos, ou seja, são resistivos. Eletrodoméstico ou dispositivo eletrônico Resistivo 2.2) Como você explica o aquecimento do aparelho de TV durante seu funcionamento? 2.3) O que é, na sua concepção, resistência elétrica? 2.4) Nas instalações elétricas dos imóveis (casas, apartamentos, prédios) são usados fios de cobre. Você considera que há algum motivo especial na escolha desse metal? Justifique. 3) CONCEITOS CHAVE 5 3.1) Resistor componente elétrico cuja função é transformar energia elétrica em energia térmica. É utilizado também para limitar a intensidade da corrente em determinados trechos do circuito elétrico. Os resistores são feitos, geralmente, de aço, tungstênio ou carvão. 3.2) Resistência elétrica (R) é a medida da dificuldade que um condutor oferece ao deslocamento de elétrons livres. A unidade de medida no Sistema Internacional (SI) é o ohm (Ω). Ela é uma propriedade de cada material, sendo assim, depende da substância que constitui o resistor. A geometria do resistor também interfere no valor da resistência elétrica. Por exemplo, suponha que seja aplicada a mesma tensão nas extremidades de três pedaços de fio, constituídos de um mesmo material, porém com dimensões diferentes, conforme Figura 2 a seguir, na qual L indica o comprimento do fio e S a área de sua secção reta:
2L L L 2S S S Figura 2: Representação de fios com diferentes dimensões. Verifica-se que: quanto maior o comprimento do fio (L), maior a resistência elétrica (R), menor a intensidade da corrente elétrica; quanto maior a área da secção reta (S), menor a resistência elétrica, maior a intensidade de corrente elétrica. Logo: R = ρ L/S, onde ρ é a resistividade elétrica, propriedade que cada material apresenta em frear a circulação de seus elétrons livres. É medida, no SI em Ωm A resistividade dos materiais sofre mudanças com a variação da temperatura. Na tabela 1 são mostrados os valores da resistividade de alguns materiais a 20 ºC. Material Resistividade (10-8 Ωm) prata 1,6 cobre 1,7 ouro 2,4 alumínio 2,8 tungstênio 5,6 aço 18 carvão 1500 Tabela 1: Resistividade de alguns materiais com temperatura a 20ºC. Nos esquemas de circuitos elétricos, são utilizados símbolos para diferenciar os condutores que possuem resistência elétrica daqueles em que a mesma é considerada desprezível, conforme mostra a Figura 3. (a) R 0 R 0 (b) Figura 3: (a) símbolo adotado para representação de condutores com resistência elétrica desprezível; (b) símbolo de condutores que possuem resistência elétrica.
3.3) Lei de Ohm a intensidade da corrente elétrica que atravessa um condutor depende da diferença de potencial elétrico (ddp) aplicada em seus extremos. Quando a intensidade da corrente (i) e a ddp (U) variam, mantendo-se diretamente proporcionais pela constante de proporcionalidade R, ou seja, a razão entre U e i é constante, escreve-se: U = Ri, e diz-se que o condutor é ôhmico, caso contrário, é denominado não-ôhmico. 3.4) Efeito Joule ocorre quando um condutor elétrico sólido, percorrido por uma corrente, tem parte da energia de seus elétrons livres, cujo movimento constitui a corrente, transformada em energia térmica. Isso promove um aquecimento no condutor, ou seja, quando os elétrons livres colidem com os átomos e moléculas do condutor, há liberação de energia térmica. 3.5) Potência (P) e Energia Elétrica (E) - a potência mede o desempenho dos aparelhos elétricos, ou seja, indica a quantidade de energia elétrica consumida, em cada segundo, por um aparelho durante seu funcionamento. A unidade de medida no SI é watts (W) que representa Joule (medida de energia) por segundo (medida de tempo). Nas contas de luz, a energia não é medida em Joule, mas em quilowatthora (kwh), sendo assim, a potência pode ser calculada em kw e o tempo em hora (h). Lembrando que: 1 quilowatt = 1 kw = 1 000 W = 10 3 W. 4) ATIVIDADES EM GRUPO P = E/ t 1 kwh = 3 600 000 J Pressupõe-se que antes da realização desta atividade os alunos já tenham estudado conceitos básicos de eletrodinâmica, tais como: corrente elétrica, intensidade de corrente elétrica, diferença de potencial elétrico. O professor pode iniciar a atividade, entregando o texto da problematização para os alunos e lendo junto com eles. A fim de ilustrar a problematização, sugere-se que sejam levados para a sala de aula diferentes tipos de resistores, tais como os ilustrados na Figura 1, de modo que os alunos possam manuseá-los. Depois, dividir a turma em grupos de, no máximo, 5 alunos e entregar as perguntas-chave, dando tempo para eles discutirem entre si e respondê-las. Sugerese a impressão das perguntas-chave em Braille para o(s) APNEE, como forma de favorecer sua autonomia no processo de discussão e explicitação de concepções junto aos seus colegas de grupo.
Sem fornecer as respostas corretas às perguntas-chave, propõe-se a interação professor-turma, através da promoção de um breve debate entre os grupos. Em seguida, sugere-se a exploração do kit, como instrumento facilitador, tanto na organização das idéias e dos modelos explicativos dos alunos no decorrer da atividade, quanto na construção do modelo científico. Esta etapa da aula deve ser enriquecida com o uso de cartelas com a apresentação de fios de diferentes materiais e dimensões e com os símbolos adotados para a representação de resistências desprezível e diferente de zero em alto relevo, conforme exemplos ilustrativos na Figura 4. Figura 4: Ilustrações com exemplos de cartelas A critério do professor, os alunos devem fazer individualmente, ou em grupos, a avaliação da aprendizagem. Esta etapa possibilitará que o professor perceba a evolução conceitual de seus alunos. A fim de permitir o aprofundamento do conteúdo, correlacionando-o com situação cotidiana é proposto o texto Choque e resistência 6 para leitura e discussão. Para melhor inclusão do(s) APNEE, sugere-se que todo material impresso e entregue aos alunos sem necessidades especiais educacionais seja, também, impresso em Braille para aquele(s) que tenha(m) deficiência visual. 5) CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DO KIT 5.1) Material necessário: - 1 placa de compensado com dimensões de (20 cm x 130 cm x 1 cm); - 3 ripas de compensado com dimensões de (3 cm x 130 cm x 1 cm); - 126 pregos 13x18 com cabeça; - 100 bolinhas de gude idênticas e de tamanho médio; - adesivo instantâneo universal; - cola de madeira; - 18 pregos 8x8 para madeira; - 1 caixa de papelão ou de MDF com tamanho compatível com a largura da placa de madeira.
5.2) Construção: Cole, usando a cola de madeira, as 3 ripas de compensado na placa, sendo duas nas laterais e uma no meio, conforme Figura 5. Figura 5: Ilustração das ripas fixadas na placa. Use os pregos 8x8 para melhor fixação das ripas na placa. A 25 cm da lateral menor da placa inicie a fixação dos pregos 13x18 (Figura 6), da seguinte maneira: em uma das partes, fixe os pregos formando cerca de 21 fileiras com quatro pregos em cada, espaçados igualmente e a uma distância que permita a passagem das bolinhas de gude com facilidade; na outra parte da placa, faça o mesmo número de fileiras de pregos, mas, ao invés de 4, coloque 2 pregos por fileira (Figura 7). 25 cm Figura 6: Posicionamento da primeira fileira de pregos em relação à lateral menor da placa.
Fileiras de 2 pregos Fileiras de 4 pregos Figura 7: Arranjos de pregos na formação das fileiras. Após a montagem, passe o adesivo instantâneo entre os pregos e a placa de compensado para melhor fixação. Para evitar que as bolinhas de gude caiam no chão, sugere-se que durante o uso do kit, uma caixa de papelão ou MDF seja acoplada à placa (Figura 8). Figura 8: Caixa de papelão acoplada à placa. 5.3) Como Funciona o Kit: Escolha uma das partes (esquerda ou direita da placa) e coloque no espaço sem pregos cerca de 30 bolinhas de gude. Segure as bolinhas de modo que elas não se alinhem e nem movimentem. Incline a placa e libere as bolinhas (Figura 9). Figura 9: Início do movimento das bolinhas.
Repita o procedimento para inclinações maiores da placa, que não devem ultrapassar 60º. Os alunos devem ser indagados sobre a relação entre a inclinação da placa e o fluxo de bolinhas (efeitos visual e sonoro). Os procedimentos e questionamentos anteriores devem ser repetidos para a outra parte da placa, devendo ser explorada, para uma mesma inclinação da placa, a comparação entre o fluxo de bolinhas nas duas partes. Espera-se que os alunos percebam que na parte onde há mais pregos existe maior resistência ao movimento das bolinhas. O kit possibilita o uso de analogias: inclinação ddp; fluxo de bolinhas corrente elétrica; fileiras de pregos resistência elétrica. 6) SUGESTÕES PARA A AVALIAÇÃO DA APRENDIZAGEM 6.1) Defina, em poucas palavras, o que é efeito Joule. 6.2) Qual é a diferença entre uma lâmpada incandescente de 40 W - 127 V e uma de 100 W 127 V? 6.3) Entre vários fios de mesmo material, se você tiver que usar o de maior resistência, escolherá: a) o curto e grosso c) o longo e grosso b) o curto e fino d) o longo e fino 6.4) O que consome mais energia elétrica: um banho de 30 minutos em um chuveiro elétrico de potência 5.000 W ou uma lâmpada de 60 W que permanece ligada durante 24 horas? Justifique. 6.5) Quando um forno elétrico é ligado a uma rede elétrica de 120 V, a potência dissipada é de 1440 W. Nessas condições, determine: a) a energia elétrica, em Wh, consumida pelo aparelho durante 10min; b) a intensidade de corrente; c) a resistência elétrica. 6.6) Por que temos que trocar a resistência de um chuveiro quando ele queima? Por que ao trocarmos a resistência temos que deixá-la em contato com a água antes de ligar a chave seletora na posição quente ou morna? 7) SUGESTÃO PARA O APROFUNDAMENTO DO CONTEÚDO Leitura e discussão do texto Choque e Resistência.
Choque e Resistência Você provavelmente já deve ter levado um choque em uma torneira elétrica, no registro do chuveiro ou em outra instalação elétrica. Quando estamos submetidos a uma tensão, uma corrente elétrica passa por nosso corpo e por isso sentimos o choque. O valor dessa corrente elétrica depende das condições de nosso corpo. Os tecidos internos são bons condutores de eletricidade; a pele seca é um mau condutor. Normalmente, a resistência elétrica de nossa pele é grande e limita o impacto de uma corrente elétrica, caso a tensão aplicada não seja muito grande. Com a pele seca, não tomamos nenhum choque se submetidos à tensão 12V, mas, se a pele estiver úmida, a resistência elétrica cai muito e podemos levar um choque considerável. Por que às vezes tomamos um choque ao ligarmos um chuveiro ou uma torneira elétrica? A água, em contato com o resistor dos aparelhos, conduz corrente elétrica para os aparelhos e daí para o encanamento. Assim, se tocarmos na torneira e estivermos em contato direto com o chão, uma corrente será conduzida através de nosso corpo para o chão. Para evitar que isso ocorra, deve-se ligar aos aparelhos o que denominamos fio terra. Este fio conduz corrente elétrica para a terra. Como o fio metálico é melhor condutor de eletricidade que o corpo humano, isto é, tem resistência menor, a corrente elétrica é praticamente desviada para o fio, evitando o choque. 1 Projeto-aula elaborado no 1º semestre letivo de 2009 pelas licenciandas em Física, Carolina Tereza de Araújo Xavier, Karla Silene Oliveira Marinho, Lolita Lutz de Souza e Ludmila Barbosa Salgado; 2 Disponível em: <http://www.brasilescola.com/fisica/resistores.htm>. Acesso em 18 de junho de 2009. 3 http://www.milcomp.com.br/resistor.jpg 4 http://www.brasilescola.com/upload/e/resistores2br(1).jpg 5 FÍSICA: FILHO, Aurélio Gonçalves; TOSCANO, Carlos. Volume Único. Editora Scipione. 1ª edição. São Paulo, 2007. FÍSICA: SAMPAIO, José Luiz; CALÇADA, Caio Sérgio. Volume Único. Atual Editora. 2ª edição. São Paulo, 2005. FÍSICA: GASPAR, Alberto. Volume Único. Editora Ática. 1ª edição. São Paulo, 2008. 6 FÍSICA: FILHO, Aurélio Gonçalves; TOSCANO, Carlos. Volume Único. Editora Scipione. 1ª edição. São Paulo, 2007.