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Terminar de montar o circuito ligando ao interruptor e as bobinas, já dentro da caixinha. 8. Testar. Observações: Questões: 1- Qual a diferença entre corrente ...
Tipologia: Notas de aula
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Orientador: Professor Doutor Paulo Simeão de Oliveira Ferreira de Carvalho Aline Patriota Pereira UP 2020
“Se você quiser descobrir os segredos do Universo, pense em termos de energia, frequência e vibração.” Nikola Tesla
Noções básicas de eletromagnetismo Eletricidade Magnetismo Eletromagnetismo Bobina de Tesla Mini bobina de Tesla Enquadramento didático-curricular Proposta de prática em contexto escolar Construção da mini bobina de Tesla Roteiro da atividade Conclusões Referências bibliográficas Apêndices
Os conceitos físicos que explicam o funcionamento da mini bobina de Tesla fazem parte do ensino do Eletromagnetismo, área que estuda os fenômenos associados aos campos elétricos e magnéticos. Ao estudar Eletricidade, Magnetismo e Eletromagnetismo, a partir dos autores Halliday, Resnick. (2008) e Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. (2005). A carga elétrica (q) é uma propriedade intrínseca das partículas fundamentais. Geralmente um átomo possui a mesma quantidade de cargas positivas e negativas, por isso há um equilíbrio e a carga total é zero. Quando um átomo ganha ou perde um eletrão, a quantidade de tipos de cargas passa a ser diferente, o átomo que inicialmente era eletricamente neutro, passa a ter uma carga elétrica associada, essa carga é quantizada pela quantidade (n) de eletrões alterada multiplicada pela unidade fundamental de carga elétrica (e): 𝑒 = 1 , 602. 10 −^19 𝐶 (1) 𝑞 = 𝑛. 𝑒 (2) Chamamos de condutores os materiais em que as cargas elétricas se movem com facilidade e não-condutores (isoladores), os materiais nos quais as cargas não se movem com facilidade. E semicondutores, os materiais com condutividade intermédia entre os condutores e os isoladores. Já os supercondutores são materiais onde as cargas elétricas se movem sem encontrar nenhuma resistência. Campo elétrico (→ 𝐸 ) é um campo vetorial, em que há uma distribuição de vetores para cada ponto em torno do objeto eletricamente carregado. O campo elétrico de uma partícula (átomo, molécula, …) eletricamente carregada é "sentido” por outra partícula, afetando a partícula sem haver
𝐹
𝐸
𝐹 𝑞 ( 3 ) Corrente elétrica (i) é a taxa de variação com o tempo da carga (q) que passa por um ponto ou região do espaço. Por convenção, o sentido da corrente elétrica é dado pelo sentido que as cargas positivas se moveriam:
A força magnética que age sobre uma partícula carregada que se move com velocidade na presença de um campo magnético é sempre perpendicular à velocidade e ao campo magnético. A unidade do campo magnético no sistema internacional é o tesla (T). Todos os aparelhos capazes de transformar outras formas de energia em energia elétrica são classificados como fontes de energia elétrica, ou seja, são geradores de campo elétrico. Para gerar energia elétrica há duas formas, fazendo variar o campo magnético ou usando a processos onde há separação de cargas. No caso de gerar energia elétrica a partir do uso de um campo magnético é necessário que o campo magnético varie no tempo, assim gera um campo elétrico que agindo sobre os eletrões livres do circuito produz uma corrente elétrica. Sendo explicado de acordo com a lei de Faraday, onde a força eletromotriz (𝜀) induzida sobre o circuito é igual a variação do fluxo de campo magnético (𝛷𝐵): 𝜀 = −
( 8 ) O fluxo de campo magnético é a quantidade total de campo magnético que atravessa uma determinada área e é dado por: 𝛷𝐵 = න 𝐵
𝑑𝐴
( 9 ) Também é possível conseguir a variação temporal de um campo magnético quando há um campo magnético em torno de um fio com corrente e essa corrente é ligada e desligada, produzindo campos magnéticos que variam no tempo. No caso de um campo magnético produzido por uma corrente em uma bobina helicoidal formada por espiras circulares muito próximas, onde o comprimento da bobina é muito maior do que o diâmetro do fio, o campo magnético no interior da bobina é a soma vetorial dos campos produzidos pelas espiras. A bobina se comporta magneticamente como um fio retilíneo enquanto as linhas de campo do campo magnético são círculos quase concêntricos (figura 1).
Figura 1 : Espiras de uma bobina com as linhas de campo magnético associado. Fonte: Halliday, Resnick. (2008). A força eletromotriz total induzida na bobina é dada por: 𝜀 = −𝑁
( 10 ) onde N é o número de espiras. Na prática, para aumentar a força eletromotriz do sistema pode se colocar um número máximo de espiras possíveis. A corrente induzida em uma espira segue um sentido onde o campo magnético produzido pela corrente se opões ao campo magnético que induz a corrente, esse conceito é conhecido como lei de Lenz. O campo magnético criado pelo condutor percorrido por uma corrente pode ser calculado pela lei de Biot-Savart. A derivada 𝑑 → 𝐵 do campo magnético em um ponto gerado por um elemento de corrente 𝑖𝑑 → 𝑠 em uma distância (r) do ponto é dada pela expressão: 𝑑 → 𝐵
𝑠
^ 𝑟^2 ( 11 ) O campo eletromagnético é um conceito físico que inclui o campo elétrico e o campo magnético variando no tempo. As ondas eletromagnéticas são produto da formação do campo eletromagnético. Maxwell descreveu os fenómenos eletromagnéticos em suas quatro equações, juntamente com a lei de Faraday. Lei de Faraday: 𝜀 = 𝑑𝛷𝑚 𝑑𝑡 , força de origem eletromagnética que causa movimento nos iões e nos eletrões livres.
Figura 2 : Tesla e a bobina. Fonte: https://oengenhosoeu.blogspot.com/2015/07/bobina-de-tesla.html Conforme Duarte (2019), consiste em um transformador ressonante que produz altas voltagens a partir de correntes elétricas alternadas de altas frequências. Formada por uma fonte de alta tensão ligada a rede elétrica com um centelhador, um capacitor, uma bobina primária e uma bobina secundária com conexão à terra. A fonte carrega o capacitor, que envia tensão para o centelhador, que descarrega sobre a bobina primária. A energia oscila com baixa tensão e alta corrente na bobina primária e é transferida à bobina secundária que apresenta oscilação de baixa corrente e alta tensão, produzindo descargas elétricas no topo.
A proposta didática deste trabalho é de constituição de uma mini bobina de Tesla. Neste caso, a mini bobina de Tesla é formada por uma bateria, um interruptor, um transístor, um resistor, uma bobina primária e uma bobina secundária, de fácil construção e funcionando de modo seguro para o utilizador. Também há outras montagens para mini bobina de Tesla, mas o modelo escolhido para tal atividade utiliza os componentes citados. Pode ser usada como um instrumento no ensino de eletromagnetismo, trazendo interesse e curiosidade aos fenómenos eletromagnéticos. Com uma mini bobina de Tesla, é possível acender uma lâmpada fluorescente a uma pequena distância da bobina, sem esta estar conectada a qualquer circuito. A proposta da mini bobina consiste no circuito mostrado na figura 3 , funcionando como um oscilador eletromagnético.
Figura 3 : circuito da mini bobina de Tesla Fonte: autoria própria Seguindo o modelo apresentado, as funcionalidades dos elementos do circuito serão:
da força eletromotriz é proporcional ao número de espiras da bobina, resultando em um aumento do campo elétrico, mas diminuindo a corrente elétrica. No segundo instante, na bobina secundária, como descrito pela lei de Lenz, aumenta a tensão elétrica e os eletrões começam a passa pela bobina secundária e buscam sair pela extremidade solta, gerando um fluxo de corrente. Isso causa um desvio de eletrões da base do transístor para suprir essa diferença. Gerando uma queda do transístor, ou seja, aumenta a área desprovida de cargas livres nas junções do transístor, causando um corte. Com isso há uma baixa de corrente na primeira bobina, que diminui seu campo magnético, gerando uma diminuição do fluxo de corrente para a bobina secundária até que chegue a zero. Nesse momento volta ao primeiro instante, que logo chega ao segundo instante e ocorre isso constantemente, levando o transístor a uma alternação constante entre o estado de saturação e o estado de corte. Quando se aproxima uma lâmpada fluorescente à bobina, o campo magnético gerado pela mini bobina de Tesla, induz uma diferença de potencial na lâmpada. Essa diferença de potencial, induz a ionização do gás do interior da lâmpada, resultando em uma excitação dos eletrões e consequentemente numa liberação de fotões, acendendo a lâmpada sem ter contato. A luz se torna mais intensa com a proximidade da lâmpada à bobina secundária, por estar se aproximando da origem do campo magnético. Em outras palavras, pela alta voltagem, o gás da lâmpada fluorescente se torna um condutor, criando iões positivos e os eletrões tendem a mover em direção ao catião. Com o movimento das partículas, os iões chocam entre si e como consequência há liberação de eletrões que provocam a ionização de novos átomos. Quando os eletrões voltam ao estado fundamental emitem radiação eletromagnética, luz.
A atividade foi proposta para o 10º ano, mas muitos conceitos só seriam vistos em aula no 11º ano, por isso a atividade teria um enquadramento mais qualitativo, estimulando uma curiosidade sobre o eletromagnetismo. O conteúdo se adequa com os documentos curriculares de referência de Física e Química A da Direção-geral da Educação para o 10 º e 11º anos, tanto no Programa de Física e Química A - 10.º e 11.º anos - Curso científico-humanístico de Ciências e Tecnologia , nas Metas curriculares e nas Aprendizagens Essenciais.
Na Física 10º ano se enquadra no domínio “Energia e fenómenos elétricos”, em que são ensinados os circuitos elétricos, grandezas elétricas, corrente contínua e corrente alternada, bem como a interpretação e distinção das grandezas elétricas. Já na Física 11º ano, o conteúdo de eletromagnetismo é aprofundado e fenómenos associados são estudados no domínio “Eletromagnetismo”. Do conteúdo programático do 11º ano constam os campos elétricos e magnéticos, a lei de Faraday, os conceitos de gerador e transformador. Apesar da teoria subjacente à bobina de Tesla e do seu funcionamento estar nos documentos curriculares, não há uma atividade laboratorial proposta sobre eletromagnetismo nesses documentos. Ressalto a importância da atividade experimental para a compreensão de conceitos abstratos no ensino da Física e para motivar o estudo da disciplina.
Com o objetivo de propor estratégias de ensino inovadoras e estimulantes, este trabalho consiste na elaboração de uma atividade experimental e demonstrativa com alunos voluntários do 10 º ano do ensino secundário para exposição no dia do Laboratório Aberto (figura 5) a alunos do 9º ano do ensino básico da Escola Secundária Inês de Castro, que seria executado no último dia do segundo período de aula. Entretanto, o trabalho foi impossibilitado de ser realizado com os alunos devido a pandemia de Covid-19, por isso segue uma proposta de prática em terreno escolar. Figura 5 : Divulgação do Laboratório Aberto do ano anterior Fonte: disponibilizada pela professora Ana Sofia Armelim da Escola Secundária Inês de Castro
Para a construção da mini bobina de Tesla é necessário:
Para construir a mini bobina de Tesla foi utilizado o circuito representado na figura 3 , que também está representado na figura 10 de forma mais didática. Para fazer a bobina secundária, foi feito um furo em cada ponta do rolo de papel (reutilizado), depois inserido o fio de cobre esmaltado 60/40 em um furo, com certa de 10 cm de fora, e enrolado até chegar ao outro furo. Essa é a parte que demanda mais tempo, pois é preciso fazer com o cuidado para o fio não se sobrepor. Em seguida foi feita a bobina primária com o fio de cobre esmaltado de 1,2mm, dando 3 voltas um pouco mais largas do que o diâmetro da bobina secundária para poder colocar em sua volta sem tocar, deixando cerca de 3 cm para cada ponta. Foram feitos 3 furos na tampa da caixinha, dois para as extremidades da bobina primária e um para o fio da bobina secundária. Também foi feita uma abertura na lateral para o encaixe do interruptor. Após encaixar as bobinas, foram colocadas com cola quente para fixar e depois foi encaixado o interruptor na lateral. Para finalizar foram feitas as ligações seguindo o circuito, utilizando a solda. Para uma melhor aparência e também uma fácil visualização, o circuito foi guardado na caixinha. Não é necessário que os fios tenham esta medida exata, mas é importante que o fio da bobina secundária seja o mais fino possível para ter uma maior quantidade de voltas sem ter uma grande altura. Também pode-se utilizar um cano de PVC ou qualquer outro material cilíndrico no lugar do rolo de papel. A caixinha de madeira também não é essencial, pode-se escolher que o circuito fique visível, ou uma caixa de acrílico, papelão, entre outros materiais que sirvam de suporte. Sublinho que todo o material necessário para construção é de baixo custo, e fácil de ser encontrado em lojas de eletrónica. Figura 9: Modelo da mini bobina de Tesla Fonte: autoria própria
Figura 11 : Ilustração da Batalha das Correntes Fonte: https://www.davidjkent-writer.com/2017/03/13/tesla-and-edison-the-war-is-lost/ Após os alunos estarem familiarizados com algumas denominações e conceitos da eletricidade, seria apresentado o circuito para a montagem da mini bobina de Tesla, figura 3 e figura 10 , projetando no quadro e os materiais necessários para tal seriam disponibilizados para a montagem em pequenos grupos. A montagem das bobinas e do circuito seria feita com o auxílio da professora. O material necessário para a montagem da mini bobina pode ser adquirido por um baixo custo em loja de eletrónica. Depois dos modelos da mini bobina de Tesla estarem prontos, cada grupo iria testar se acende ou não uma lâmpada fluorescente. Após a confirmação da lâmpada acender e se intensificar com a proximidade da bobina, iriam testar a gaiola de Faraday. Seguidamente, pretende-se entregar uma ficha de trabalho com algumas questões relacionadas com a mini bobina de Tesla, com a possibilidade de discussão dentro dos pequenos grupos para formular as respostas da ficha. Logo depois, haveria uma discussão generalizada sobre as respostas para que haja um consenso entre os alunos e que todos entendam, com o intuito de explicarem qualitativamente como a bobina funciona para os alunos do 9º ano no dia do Laboratório Aberto. Com questões como: “Qual a diferença entre corrente contínua e corrente alternada?”; “O que é a bobina de Tesla?”; “Como a lâmpada acende sem ter contato com a bobina?” e “Por que varia a intensidade luminosa da lâmpada quando varia a distância da bobina?”. A ficha de trabalho está no Apêndice 3. Para auxiliar na explicação e na visualização do princípio da Lei de Faraday, onde a corrente alternada gera um campo magnético variável, que pode induzir a formação de um campo elétrico, será utilizada uma simulação do PhET – “ Laboratório de Eletromagnetismo ” nas funções
“ Eletromagnetismo ” e “ Transformador ” (figura 12). Salientando a diferença que na mini bobina de Tesla não há o contato físico da lâmpada com a bobina, mas há a variação do campo magnético. Para o auxílio da demonstração da simulação está no Apêndice 4 um roteiro de exploração da simulação. Figura 12 : Simulação “Laboratório de Eletromagnetismo” do PhET Fonte: https://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/faraday
Foi apresentada uma proposta didática para complementar o ensino de Eletromagnetismo, com uma atividade experimental na construção de uma mini bobina de Tesla e o uso para acender uma lâmpada fluorescente. Com o intuito de acrescentar uma atividade prática para conceitos previstos pela Direção-geral da Educação para o Ensino Secundário. Com a abordagem experimental do ensino de eletromagnetismo é suposto inspirar os alunos, provocando um espírito investigativo e uma participação na construção dos conceitos utilizados para entender o funcionamento da mini bobina. Do mesmo modo, ressalto que há uma abordagem histórico-filosófica sobre o Tesla e seu contributo para a evolução do eletromagnetismo que auxilia na compreensão de tais conceitos, como também traz a temática sobre a construção da ciência. O experimento tem uma alta capacidade de reprodução, independente do ambiente escolar, por ser uma atividade que necessita de recursos de baixo custo, por vezes reutilizado, e por ser de fácil montagem. Infelizmente foi impossibilitada de ser implementada com os alunos durante o ano letivo 2019/2020, devido a pandemia relacionada com a Covid-19.
