Física ``1001 utilidades''

## Física '1001 utilidades'

Francisco Catelli Fcatelli@ucs.br a Véra Lúcia da Fonseca Mossmann VLFMossm@ucs.br b c

Alex Paulo Koltz APKoltz@ucs.br

a Universidade de Caxias do Sul, Pontifícia Universidade Católica do RGS b Universidade de Caxias do Sul c Universidade de Caxias do Sul, Colégio Estadual Cristóvão de Mendoza

## Resumo

É bem conhecida a demonstração na qual um fio de palha de aço (tradicionalmente conhecido como Bombril ) , ao ser percorrido por corrente fornecida por duas pilhas de 1,5 V em série, pode fundir. Neste trabalho exploramos com mais profundidade esta demonstração, trabalhando para que o estudante elabore melhor seus conceitos de corrente elétrica, DDP, resistência elétrica e efeito Joule, entre outros. Todo o material empregado é de baixo custo, e o procedimento, muito simples. Os alunos são instruídos a provocarem um 'curto circuito' nas baterias através de comprimentos cada vez menores de um fio de palha de aço, até que chega um momento em que este funde! O efeito Joule, o ponto de fusão do ferro, e a temperatura que o fio alcança neste momento podem ser então evocados. Mas, o que acontece com o fio antes de fundir? Peça para os alunos repetirem a experiência, desta vez com uma lâmpada de 3V em série. O aumento gradual do brilho é um excelente indicativo da corrente que circula; a relação inversa desta com o comprimento do fio é quase imediata. E se forem dois fios, um ao lado do outro? O caminho fica facilitado, e a lâmpada acende com comprimentos mais longos do fio duplo. Com o acréscimo de um multiteste digital é possível quantificar, por exemplo, a dependência da resistência do fio com o comprimento. A principal sedução destas atividades é sem dúvida a possibilidade de investigação ofertada aos estudantes. O baixo custo do material permite que pequenos grupos planejem e executem suas explorações. A simplicidade da montagem favorece a elaboração de conceitos , e o resgate de elementos do quotidiano dos alunos (o Bombril) colabora para que a física seja vista pelos estudantes como uma atividade 'deste mundo'.

Palavras chave: circuitos elétricos, efeito Joule, experimentos de baixo custo.

## Introdução

Neste trabalho propomos o uso de fios de Bombril como "resistores" improvisados; o comportamento elétrico destes pode estudado com o concurso de material simples e barato. Atividades como essa invariavelmente motivam os alunos, e neste caso é o fato insólito da fusão do fio que desperta inicialmente a curiosidade deles. Tendo em vista que a motivação é um elemento chave em qualquer atividade didática, é interessante potencializá-la através de estratégias que possam levar os estudantes a saciar sua curiosidade através do desenvolvimento de atividades de investigação, tais como a que propomos a seguir. Iniciaremos descrevendo o material necessário, em seguida sugeriremos alguns experimentos para, por fim, apresentaremos alguns resultados didáticos obtidos até o momento.

## Descrição do material

As atividades descritas aqui foram realizadas com o seguinte material: duas pilhas grandes, de 1,5 V, montadas em série num suporte (use pilhas comuns: são mais baratas, e sua durabilidade é adequada para os experimentos propostos aqui), três cabos de aproximadamente 50 cm de comprimento, munidos de garras jacaré pequenas montadas nas duas extremidades, uma lâmpada de

3V, com soquete (as lâmpadas com soquete rosqueado são de manuseio mais simples), Bombril®, fita adesiva e uma folha de papel. Um multímetro ajustado para a medida da resistência elétrica, caso esteja disponível, será de grande utilidade.

## Descrição das atividades

O ideal é que cada grupo de três ou quatro estudantes tenha à disposição o conjunto de materiais descrito acima. P eça a eles que retirem da palha de aço um fio longo, de aproximadamente uns 20 cm de comprimento, e que fixem-no (pelas extremidades, com fita adesiva, esticado) numa folha de papel. Com isso, o manuseio fica bastante facilitado. Agora, conecte dois cabos ao suporte de pilhas, e com as extremidades destes faça um "curto circuito" no fio de Bombril, começando com um comprimento grande, e depois o diminua gradualmente (veja a figura 1). Espere, e verá as exclamações de espanto dos estudantes. Para um certo comprimento (curto) o fio funde, emitindo uma centelha! Aproveite a ocasião e comente que a fusão do fio está relacionada à transformação da energia elétrica em calor (efeito Joule), e que o fio, por ser muito fino, libera mal o calor gerado nele pela passagem da corrente elétrica. Comente também que, no momento da fusão, chega-se a mais de 1500 O C (o ferro, material que predomina na composição do fio, funde a 1536,5 O C.)

Mas, perguntará alguém, o que acontece com o fio antes de fundir? Passa corrente por ele? N este momento, o uso da lâmpada como um indicador desta possível passagem de corrente pode ser muito instrutivo: experimente repetir o circuito da figura 1, desta vez com a lâmpada em série. Enquanto o fio de Bombril intercalado entre as duas garras jacaré for suficientemente comprido, a lâmpada não brilha, ou brilha muito fracamente. A diminuição gradual do comprimento do fio resulta num brilho cada vez maior da lâmpada; em alguns casos, quando o fio for suficientemente fino, pode ocorrer de ele fundir. Este é um efeito d ifícil de controlar, visto que a espessura dos fios de palha de aço varia, dentro de certos limites, de forma aleatória. Nesta investigação, os alunos imediatamente percebem que, quanto mais curto for o fio, mais fácil torna-se a passagem da corrente: o brilho crescente da lâmpada comprova esta afirmação.

Uma maneira simples de testar o comportamento do brilho da lâmpada (e, conseqüentemente, da corrente) em função do diâmetro do fio consiste em colocar dois fios esticados um ao lado do outro. Neste ensaio, cada garra jacaré deve tocar simultaneamente nos dois fios. É fácil verificar que a lâmpada, neste caso, começa a brilhar para um comprimento mais longo do fio duplo (quando comparado com um fio simples). Os fios estão 'ligados em paralelo', e a dificuldade oferecida à passagem da corrente é menor.

## Outros resultados

Se desejado, podem-se generalizar os resultados acima através da expressão

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onde R é a resistência elétrica do fio, l é seu comprimento (comprimentos maiores fazem com que a lâmpada brilhe menos), e A é a área da secção reta (um fio 'duplo' possui uma área de secção reta duas vezes maior, quando comparada com a de um fio simples.) Só não foi investigada aqui a dependência da resistência R com o material, o que levaria à resistividade ρ .

Figura 1: simulando um fusível com um fio de Bombril.

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Figura 2: investigando a variação do brilho da lâmpada em função do comprimento do fio de Bombril.

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Se estiver disponível um multiteste com a função de medida da resistência, poder-se-á investigar de forma quantitativa a dependência, por exemplo, da resistência do fio de Bombril em função do comprimento, como pode ser visto na figura 3. É interessante mostrar aos alunos que os valores da resistência do fio são da mesma ordem de grandeza d os da resistência do filamento de uma lâmpada comum de bulbo (100 W, 220 V, R= 33,8 Ω , medida a frio com um ohmimetro digital)

Poderíamos usar a expressão 1 para chegar à área da secção reta do fio? (esta é uma das perguntas que os alunos fazem com alguma freqüência). Sim, desde que conheçamos o valor de R e o comprimento do fio. O cálculo leva a um valor realmente muito pequeno, mas difícil de ser interpretado. É interessante então imaginar que o fio tem uma secção reta circular ; sugira aos 1 estudantes que façam o cálculo do diâmetro baseados nesta hipótese, e argumente que o resultado

parece levar a um valor menor do que o diâmetro de um fio de cabelo . Cole então, lado a lado num 2 retro projetor, o fio de palha de aço e o cabelo. Após focalizar com cuidado, dá para perceber na projeção que o diâmetro do fio de cabelo é de fato maior!

Figura 3: Resistência do fio de Bombril em função do comprimento, medida com um multiteste digital. É interessante comentar com os alunos que a resistência de uma lâmpada comum está dentro da mesma ordem de grandeza da do fio de Bombril. Mas, prepare-se: alguém perguntará com certeza: e por quê o filamento de tungstênio da lâmpada (que também é muito fino) não queima, enquanto o fio de Bombril funde com um a DDP bem menor?

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## Conclusão

Tudo começa com uma pequena surpresa: a fusão de um fino fio de ferro, por meio da corrente elétrica gerada por baterias comuns. A estratégia de começar despertando a curiosidade dos estudantes para um fato talvez insólito é uma garantia de que o interesse dos estudantes perdurará o suficiente para que os principais conceitos da eletricidade sejam discutidos em aula. Entretanto, nos parece que a principal sedução desta atividade é sem dúvida a possibilidade de investigação ofertada aos estudantes. O baixo custo do material permite que um número maior de conjuntos experimentais possa estar disponível em sala de aula, e assim pequenos grupos podem planejar e executar suas explorações. A participação de praticamente todos os alunos fica então garantida. A simplicidade da montagem favorece a emergência de conceitos , e o resgate de elementos do quotidiano dos alunos (o Bombril) colabora para que a física seja vista pelos estudantes como uma atividade 'deste mundo'.

## Bibliografia

HALLIDAY, David; Robert RESNICK e Jearl WALKER. "Fundamentos de Física". Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 4a. edição, volume 3.