O ESTUDO DO ELETROMAGNETISMO CLÁSSICO: AS LINHAS DE FARADAY E ALGUNS CONCEITOS DE FILOSOFIA DA CIÊNCIA NO ENSINO MÉDIO

## O ESTUDO DO ELETROMAGNETISMO CLÁSSICO: AS LINHAS DE FARADAY E ALGUNS CONCEITOS DE FILOSOFIA DA CIÊNCIA NO ENSINO MÉDIO

## Marcus Vinícius Russo Loures 1

1 Centro Universitário SENAC-SP/Departamento de Engenharia/ marcus.vrloures@sp.senac.br

## Resumo

Muitos trabalhos que se debruçam sobre o problema do uso de textos de história da ciência em ensino têm sido publicados e auxiliado professores e pesquisadores a compreender com maior clareza a importância de tal prática na aquisição de conceitos físicos por parte de alunos de nível fundamental, médio ou mesmo superior. Este trabalho busca, por meio do uso de textos históricos em sala mostrar como tais textos podem fornecer subsídios a alunos do ensino médio para que construam uma visão de ciência mais ampla, permitindo, concomitantemente, também a discussão de tópicos de Filosofia da Ciência. Uma rápida análise de livros textos usados no Ensino Médio, por exemplo, mostra que muito raramente são discutidos temas como o papel de teorias, a construção de modelos, o levantamento de hipóteses na prática científica e a função do experimento, entre outros. A ausência de uma discussão mais aprofundada sobre a ciência, seus fundamentos e seu papel social e cultural conduz o aluno, na grande maioria das vezes, à construção de um modelo de ciência irreal. Como base para tal estudo, usaremos trechos, da obra de Michael Faraday, acerca de sua fundamentação teórica sobre as linhas de força, um conceito importante e nada simples a ser trabalhado no currículo médio de Física.

Palavras-chave : Filosofia da Ciência. Linhas de força. Modelos científicos. Realismo e Instrumentalismo.

## 1 - A discussão científica no currículo básico

Os currículos estabelecidos pelos Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino de Física tratam amplamente de discussões que remetem ao recurso da contextualização do ensino de Física. Essa, no entanto, ainda fica bastante limitada, limitando-se à sustentação de pontos teóricos do programa. Conforme encontram-se nos parâmetros:

'A seleção desse conhecimento [o que tem sido tradicionalmente abordado em sala de aula] tem sido feita, tradicionalmente, em termos de conceitos considerados centrais em áreas de fenômenos da natureza física diferentes, delimitando os conteúdos de Mecânica, Termologia, Ótica e Eletromagnetismo a serem abordados. Isso resulta, quase sempre, em uma seleção tal que os índices dos livros didáticos de Ensino Médio tornam-se, na verdade, uma versão abreviada daqueles utilizados nos cursos de Física Básica do ensino superior, ou uma versão um pouco mais estendida dos que vinham sendo utilizados na oitava séria do ensino fundamental. Nessas propostas, os critérios de seleção para definir os conteúdos a serem trabalhados, na maior parte das vezes, restringem-se ao conhecimento e à estrutura da Física, sem levar em conta o sentido mais amplo da formação desejada.' (Parâmetros, 1997, p. 4)

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O trecho expõe um problema importante a ser discutido: o que se deseja com o ensino de Física? Ensinar ciência ou ensinar o que é ciência? Se a resposta se dirige à primeira questão, então cabe à Física limitar-se, o que não difere do que comumente se é feito, a expor, numa visão mais restrita, os fundamentos teóricos do paradigma vigente. Assim, como bem colocam os PCN's, o programa do ensino médio se torna uma versão simplificada ou mesmo um recorte dos tópicos de Física avançada. Os inúmeros trabalhos, recentemente publicados, acerca do ensino de Física têm mostrado que essa abordagem enfrenta sérias dificuldades.

Se, no entanto, o objetivo é ensinar o que é ciência, então os enfoques devem ser dirigidos a aspectos históricos e filosóficos, situando o conceito discutido dentro de seu contexto de surgimento. Nesse sentido dado conceito ganha outro sentido, pois a problemática exposta é apresentada dentro de um período precisamente datado, permitindo ao estudante, não apenas se identificar com o contexto ao redor do problema, mas também refletir sobre o problema em si, analisando os vários pontos expostos nos debates e as soluções encontradas para as questões.

Isso produz um ganho considerável de compreensão sobre a natureza do conhecimento cientifico, permitindo ao aluno que observe como um conceito usado em ciência é produto de outras questões situadas à mesma época, muitas dessas de cunho filosófico, artístico, cultural, mostrando que o praticante de ciência está historicamente inserido em seu tempo e esta inserção é que dirige a escolha dos possíveis caminhos a serem trilhados em sua investigação da natureza. É um trabalho que se oponha ao viés meramente conteudista mencionado no trecho do PCN acima que este pretende desenvolver.

## 1.1) A visão de ciência de senso comum

Uma opção amplamente conhecida no ensino de Física é a de que esta disciplina tem como objetivo, principalmente em currículos do Ensino Médio, apresentar, mesmo que de forma introdutória, seus fundamentos, preparando o aluno para um estudo mais pormenorizado no curso avançado. Tudo gira em torno de apresentar os temas relevantes do paradigma vigente. Mecânica newtoniana, tópicos de eletromagnetismo, noções de termodinâmica etc.

Questões metodológicas e epistemológicas são raramente tratadas nesse debate. Os conceitos são introduzidos de forma a induzir na percepção do aluno o fato de que certos assuntos são produtos de mentes engenhosas que brindaram a humanidade com genialidade.

Quando um professor de Física afirma que em certo dia ensinará a Primeira Lei de Newton, qual a primeira inferência básica dessa assertiva? A resposta é simples: a lei da inércia foi 'criada' por Newton. Isso simplesmente é ignorado nos manuais de ensino. A solução para isso é problematizar a discussão do conceito de inércia, mostrando seus múltiplos significados ao longo do tempo. Inércia, como outros conceitos físicos, adquiriu, ao longo da história, inúmeros significados e seus sentidos estão intimamente relacionados ao contexto em que surgiram.

Um ponto importante é o da questão do método e, que em certa medida, se acopla à postura realista de entidades: o papel do experimento (ou seria demonstração?). Talvez aqui se tenha a marca mais evidente da posição corrente

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para o problema da demarcação: a de que a ciência possui um método preciso, empiricamente sustentado, que fundamenta, mesmo que de forma ingênua e superficial, a tese de que práticas científicas são "comprovadas pela experimento". Chalmers aponta isso, afirmando que:

'Nos tempos modernos, a ciência é altamente considerada. Aparentemente, há uma crença amplamente aceita de que há algo especial a respeito da ciência e de seus métodos. A atribuição do termo científico a alguma afirmação, linha de raciocínio ou peça de pesquisa é feita de um modo que pretende implicar algum tipo de mérito ou de confiabilidade. Mas o que é especial com relação à ciência? O que vem a ser esse 'método científico' que comprovadamente leva a resultados especialmente meritórios ou confiáveis?' (Chalmers, 2001, p.17)

Discussões de método se limitam, na maioria das escolas, a aulas de laboratório e, mais uma vez, a apresentação de experimentos (ou demonstrações?) é abordada como uma forma de verificação irrefutável das abordagens teóricas de sala de aula. É inegável que esse induz o aluno á crença de que uma diferença fundamental das ciências (aqui, da Física) é que ela pode 'provar experimentalmente' o que afirma, fato não comum a outras áreas do conhecimento como a arte ou a filosofia, por exemplo. E será que essa prova irrefutável é de fato possível? Se sim, como?

- O método comumente tomado como o que a ciência segue reforça, também, a tese do indutivismo ingênuo. A ciência começa com observação. Por isso ela é confiável! Pois além de provar com experimentos o que diz, também se baseia estritamente nos fatos observáveis e, portanto, inquestionáveis. Não existe espaço para opiniões ou concepções pessoais, as evidências são inquestionáveis e a teoria que emerge disso reflete com precisão a realidade que descreve. Uma postura, sem dúvida, bastante realista.
- E as questões de cunho epistemológico? Como costumam ser tratadas na escola? Quando assuntos como modelo atômico, por exemplo, é proposto em sala de aula, até que ponto a extensão do termo modelo é analisada em toda a sua riqueza? Qual é o papel de um modelo? Como "brotam"as entidades das quais um modelo faz uso: da experiência ou há algum componente extra? Bachelard sugere que 'o espírito pode mudar de metafísica; o que não pode é passar sem metafísica' (1991, p. 15). Isso aponta para uma necessidade premente de entendermos o contexto histórico-filosófico em que um modelo é proposto, o que torna mais claro levantar possíveis fundamentos para a escolha dessa ou daquela entidade teórica. Essas questões são fundamentais para o entendimento, em sala de aula, de com quais tipos de entidades a ciência lida em sua formulação do comportamento da natureza.

## 1.2) As linhas de força de Faraday

Michael Faraday (1791-1867) foi um homem de ciência que realizou importantes contribuições no estudo da eletricidade do magnetismo e que, juntamente com James Clerk Maxwell (1831-1879), fincou as bases do Eletromagnetismo Clássico. Em particular, ateremo-nos a seus estudos das linhas

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de força, que muito têm a nos ensinar sobre o desenvolvimento de modelos em ciência.

- O "pano de fundo"para as discussões das linhas de força de Faraday é o clássico problema da ação à distância, que aparece na Filosofia Natural com a gravidade de Newton. Como dois corpos podem se comunicar à distância, não estando em contato? A princípio, supôs-se que forças pudessem ser trocadas apenas por corpos que estivessem em contato. Com a tese gravitacional de Newton, abre-se uma outra forma de compreender essa comunicação, admitindo que dois corpos pudessem se comunicar à distância.

Uma terceira corrente, intermediária a essas duas, admite uma terceira alternativa, a de que dois corpos (imãs, por exemplo) podem se comunicar à distância, sendo, no entanto necessário um agente físico que transmitisse essa força. Isso poderia ser feito por ação do campo (uma entidade criada com a finalidade de estabelecer essa comunicação) ou por linhas ( a hipótese faradayana). Todas as alternativas têm em comum formas distintas de compreender o problema da comunicação à distância. Faraday afirma que:

- '... eu encaro o efeito de um corpo excitado atuar sobre a matéria vizinha, como sendo a produção de um estado polarizado em suas partículas, o que constitui indução; e isso decorre de sua ação sobre partículas em contato imediato com ele e que, na sequência, agem sobre aquelas contíguas 1 a elas sendo as forças, dessa forma, transmitidas à distância.'

Vê-se, portanto, que, para Faraday, a ação à distância pode se dar, mas não aos moldes newtonianos. Ele crê que o meio que preenche a distância que separa os dois corpos transmite, por contiguidade, essa ação, até que ela atinja esse corpo. Assim, uma carga elétrica não atrai a outra carga elétrica que está longe dela, mas apenas aquela a que é contígua e assim sucessivamente, até que a atração se transmita à partícula que está situada à distância.

Mais particularmente, com relação às linhas, Faraday expõe, no trecho 3070:

- 'A partir de meus primeiros experimentos a respeito da relação entre eletricidade e magnetismo, tive de pensar e falar em linhas de força magnética como representações do poder magnético, não apenas na questão da qualidade e direção, mas também em quantidade. A necessidade que se apresentou de uso mais frequente do termo em algumas pesquisas recentes, levou-me a acreditar que o tempo havia chegado para que, quando a ideia sugerida pela frase devesse ser claramente estabelecida e devesse também ser cuidadosamente examinada, ficasse especificado até que ponto elas podem ser aplicadas para se representar condições e fenômenos magnéticos.'

Faraday, como se pode ler, investigando suas concepções de linhas de força, parece ter uma concepção menos realista e mais instrumentalista dessas linhas: crê que essas "representações"possam descrever essas grandeza em módulo, direção e sentido, mas entende ainda que precisem ser melhor compreendidas.

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Mas que papel teriam, no modelo de Faraday, essas linhas? Como elas auxiliariam na compreensão do fenômeno da ação à distância?

'Tenho usado as frases linhas de força indutiva e linhas de força curvas (1231, 1297, 1298, 1302) apenas num sentido genérico, assim como falamos de linhas de força magnéticas. As linhas são imaginárias e a força, em qualquer parte delas, é, naturalmente, a resultante das forças compostas, cada molécula estando relacionada a toda outra molécula em todas as direções, pela tensão e reação daquelas que são contíguas.' [1837]

Trata-se de um trecho muito rico em termos de formulação de questões concernentes à Filosofia da Ciência. Primeiro, porque Faraday admite o recurso a uma entidade que não existe na prática, mas que cumpre o papel (matemático?) de descrever a ação por contiguidade exposta acima.

Aqui fica mais evidente o caráter mais instrumentalista para suas linhas. O uso que ele faz de entidades numa perspectiva instrumentalista é quase sempre muito dificultoso quando apresentado a alunos de Ensino Médio, dada a crença quase estabelecida, nesse nível, de que a ciência deve descrever a realidade dispondo, em suas teorias, de entidades teórico-experimentais que possuam evidência por correspondência no mundo. A percepção do aluno de que a ciência pode lidar com as entidades de uma forma estritamente matemática soa estranha e artificial num primeiro momento e faz-se necessária uma discussão mais aprofundada sobre o problema.

Outros pontos importantes do uso de trechos como esses é que permitem mostrar o investigador da natureza em seu momento mais íntimo, o de formulação de hipóteses e do levantamento de métodos que permitam submeter essas hipóteses ao teste e à reprodução, pontos fundamentais de um conhecimento que se pretenda científico. Tomando sua obra Experimental Researches , Faraday expõe suas considerações acerca dessa entidade física que ele ainda não tem muita clareza. Diz ele, na questão 1161, que:

'A ciência da eletricidade está naquele estado em que cada parte sua requer investigação experimental; não apenas para descoberta de novos efeitos, mas o que é agora de muito maior importância, o desenvolvimento dos meios pelos quais os antigos efeitos são produzidos, e a consequente determinação mais acurada dos primeiros princípios de ação do mais extraordinário e universal poder da natureza; e para aqueles filósofos que perseguem essa investigação zelosa porém cautelosamente, combinando experimento com analogia, suspeitosos de suas noções pré-concebidas, dando maior peso ao fato do que à teoria, não generalizando muito rapidamente e, acima de tudo, predispondo-se a cada passo a examinar criticamente suas próprias opiniões, através tanto do raciocínio como do experimento, nenhum ramo do conhecimento pode conter um campo tão indicado e tão pronto para descoberta como esse.'

Como se vê, tratam-se das palavras de um homem que ainda não tem clareza do fenômeno que estuda, ainda que seja capaz de vislumbrar as amplas possibilidades que o estudo da eletricidade pode propiciar.

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## 2 - Descrição das atividades desenvolvidas

O estudo foi desenvolvido com um grupo de alunos do 2 ano do Ensino o Médio de uma escola privada, situada na cidade de São Bernardo do Campo, em São Paulo e foi dividido em três etapas. Numa primeira, os alunos foram submetidos a uma investigação inicial, em que apresentavam suas concepções prévias acerca das questões abaixo.

- a) Resumidamente, o que é campo gravitacional para você?
- b) O campo gravitacional existe de fato? Se sim, como você pode provar sua existência? E do que ele é feito?
- c) A ideia de campo gravitacional não é de Newton. Na verdade, Newton falava numa Terra exercendo sua ação á distância, ou seja, que dois corpos poderiam exercer força um no outro sem se tocarem. Qual destas duas ideias é mais familiar a você, a de ação â distância (Newton) ou a de campo? Por quê?

Após essa discussão inicial, os alunos foram introduzidos na temática do Problema da Ação à Distância. Alguns slides foram mostrados e conceitos iniciais de campo e linhas forma situados e apresentados na forma tradicional em que são debatidos no Ensino Médio. Textos de apoio são sugeridos aos alunos, como forma de aprofundamento da discussão. Um texto recomendado, pelo menos parcialmente, é Maxwell, a Teoria de Campo e a Desmecanização da Física , em que o tema é apresentado de maneira bastante detalhada pelo Prof. Valter Alnis Bezerra.

Após essa pequena discussão teórica, os alunos receberam uma folha com 8 trechos da obra de Faraday mencionada acima e esses trechos foram lidos conjuntamente e discutidos, procurando extrair a essência de cada trecho, além de permitirem a discussão dos tópicos de Filosofia da Ciência já mencionados. Para fundamentação das questões de Filosofia da Ciência, trechos da obra O que é ciência afinal? de Allan Chalmers foram introduzidos.

Ao fim do processo, os alunos foram convidados a produzir uma dissertação, cujos tópicos a serem tratados devem ser:

Discuta as ideias relacionadas ao conceito de campo, enfocando os seguintes pontos:

GLYPH<31> Por que a ideia de campo foi introduzida na compreensão dos fenômenos elétricos e magnéticos?

GLYPH<31> O campo elétrico é um conceito ontologicamente existente ou apenas um dispositivo matemático?

GLYPH<31> Como se pode conciliar as ideias de ação à distância e de campo?

GLYPH<31> O que tudo isso estudado por você mostra sobre os debates que levam à postulação de um novo conceito em ciência? Analisando este episódio, como você diria que a ciência , seus métodos, sua terminologia são construídos?

## 3 - Resultados Preliminares

Quanto às questões preliminares, no que tange ao conceito de campo, foram verificadas respostas como "campo é um local onde as forças se atraem", "campo é o conjunto de forças que são exercidas em um corpo" ou "as forças se atraem no campo gravitacional". Tais respostas parecem sugerir uma identidade entre o campo e as forças e a ação à distância, fato que não surpreende, pois é comum, em livros didáticos ou apostilas, as forças de campo serem sinônimas de forças de ação à distância, mesmo que historicamente e, mesmo filosoficamente, suas bases sejam

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distintas. Vale lembrar que Newton nunca falou em campo gravitacional e, portanto, historicamente, campo e força de atração gravitacional, apesar de produzirem efeitos cinemáticos semelhantes em um corpo, são conceitos sustentados por fundamentos histórico-filosóficos completamente distintos.

Na questão com relação à questão de uma evidência da existência do campo gravitacional, as respostas recorrem ao clássico recurso disposicional, associando a existência do campo gravitacional ao movimento dos corpos que caem sob sua ação. Algo como "se um corpo se movimenta, logo alguém puxa."Assim que encontramos respostas como:

- ƒ O campo gravitacional existe parcialmente, já que nós não conseguimos vê-lo e sim ver o trabalho feito por ele. Ele é feito de vácuo e a prova [de sua existência] é o trabalho que ele faz.
- ƒ O campo gravitacional existe, veja uma caneta solta no ar, ela não vai ficar parada, cairá. Logo, há alguma coisa que puxe esse corpo para baixo.

As respostas também parecem favorecer a existência do campo, assumindo a ideia de verdade por correspondência: se a Física descreve a natureza, deve fazê-lo por recurso a entidades que possam ser igualmente verificadas na experiência. Alunos de ensino médio e mesmo de ensino superior têm forte tendência a assumir posturas realistas em sua descrição da natureza. Isso, no entanto, precisa ser investigado com mais detalhes e uma análise dos dados em mãos pode fornecer um direcionamento mais preciso ao problema.

Quanto à discussão do papel de um modelo, a percepção dos alunos ficará mais clara quando da análise da dissertação, em que o aluno deve tecer considerações acerca da natureza da ciência e da prática do "cientista". Preliminarmente, pode-se verificar que uma das discussões que mais chama a atenção dos alunos é do papel do experimento como elemento comprovador de uma teoria. Os alunos assumem, de forma muito natural, que um experimento teria a função de decidir, entre os modelos existentes, qual aquele que seria o "verdadeiro" ou aquele que descreveria mais precisamente a natureza, novamente efetuando a melhor correspondência com o mundo empírico. Os debates entre os diferentes pontos de vista, cada qual com suas evidências, teóricas ou experimentais, coloca as dificuldades dessa posição. No presente trabalho, houve momentos em que havia certa aflição por parte de alguns alunos quanto a saber qual o critério que permitiria escolher o "modelo verdadeiro"ou a "teoria correta". Lidar com dois ou três modelos diferentes para explicar consistentemente o mesmo fenômeno é algo que as práticas de ensino de Física desconectadas de suas raízes históricas e filosóficas torna difícil e obscuro. Só recorrendo ao contexto em que um conceito é proposto é que se pode compreender a variedade de opções existentes. Espera-se que isso tenha ficado claro no estudo das linhas de Faraday, o que será melhor averiguado a partir da análise dos conteúdos das dissertações a ser apresentado oportunamente.

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## 4 - Conclusões Preliminares

Após a execução parcial deste trabalho, alguns pontos podem ser inicialmente destacados:

- ƒ o conceito de ciência como uma forma de conhecimento precisa e exata se relativiza na visão dos alunos: ao estudar os textos históricos, os alunos percebem que as construções científicas nascem da discussão do debate de ideias e concepções e isso representa um ganho importante de percepção da natureza da ciência.
- ƒ algumas considerações dos alunos levam à percepção de que as linhas de força surgem na filosofia natural de Faraday mais como uma resposta ao problema da ação à distância do que como um conceito físico em si, oriundo do Eletromagnetismo.
- ƒ considerações acerca do realismo e instrumentalismo de entidades teóricas surgem no debate, o que contribui para o alargamento que o aluno tem da natureza da atividade científica, principalmente no que tange à formulação de modelos.

## Referências

BACHELARD, G. A Filosofia do Não . Trad. Joaquim José M. Ramos. Lisboa: Editorial Presença, 1991.

BARRA, Eduardo S. O. A realidade do mundo da ciência: um desafio para a história, a filosofia e a educação científica . Revista Brasileira & e Educação , São Paulo, v.5, n.1, p.15 - 26. 1998.

CHALMERS, A.F. O que é ciência, afinal? 1.ed. São Paulo: Brasiliense, 2001.

FARADAY M. Experimental Researches in Electricity . In: HUTCHINS, R. M. (ed.). Chicago: Encyclopaedia Britannica, v. 45, 1952.

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO. Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio: Ensino de Física . Brasília, 1997.

KUHN, Thomas S. A Estrutura das Revoluções Científicas . 5.ed. São Paulo: Perpectiva, 2000.

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TERRA, Paulo S. O Ensino de Ciências e o professor anarquista epistemológico . Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Florianópolis , v.19, n.02, p.208 - 218, agosto. 2002.

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