Experimentos de baixo custo em eletricidade e magnetismo para o ensino médio

## EXPERIMENTOS DE BAIXO CUSTO EM ELETRICIDADE E MAGNETISMO PARA O ENSINO MÉDIO

Alfredo Sotto Fernandes Jr , Miguel Arcanjo-Filho 1 2

- 1 CEFET-RJ, Colégio Pedro II e Col. São Bento RJ, alfredosotto@gmail.com

2 ISERJ-FAETEC e Colégio de São Bento RJ, m.arcanjofilho@gmail.com

## Resumo

O presente trabalho descreve algumas experiências, sobre conceitos de eletromagnetismo, realizadas com turmas da terceira série do ensino médio em escolas do Rio de Janeiro. As experiências foram feitas com materiais de baixo custo e de fácil aquisição. Procura desenvolver nos alunos o gosto pelas práticas experimentais, tentando criar condições para que os conceitos físicos tenham significação real e concreta para esses alunos. Optou-se, neste trabalho, num primeiro momento, pela simples apresentação de tais experimentos, mostrando como podem ser de fácil construção em um tempo reduzido, sem comprometer a qualidade das demonstrações envolvidas. Portanto não discutiremos aqui os resultados de tais atividades junto aos alunos. Para apresentação do conceito de campo elétrico foi utilizado um gerador de alta diferença de potencial de baixo custo e um equipamento de fácil construção para ilustrar as linhas equipotenciais. Na eletrodinâmica, um quadro de lâmpadas foi construído utilizando componentes muito baratos como leds, e pilhas comuns e usando uma entrada USB como fonte de tensão. No magnetismo os campos magnéticos foram ilustrados com limalha de ferro produzida de forma bem simples. Para apresentação do eletromagnetismo foi realizada uma experiência de fácil execução que permite ilustrar a Lei de Lenz e a Lei de Faraday-Neumann.

Palavras-chave : eletromagnetismo, ensino de física, experimentos didáticos.

## 1. Introducão

Os livros didáticos do ensino médio tradicionalmente trazem experiências que podem ser realizadas com equipamentos de baixo custo ou facilmente encontrados em casa [1-4]. Tradicional também é a falta de interesse que tais experimentos despertam em professores e alunos do ensino médio. Aqueles afirmam que não existe tempo para atividades experimentais em um curso de física, mesmo que os equipamentos necessários não sejam muito caros ou de difícil aquisição. Os alunos, por seu turno, e principalmente os terceiranistas, estão mais preocupados com seu desempenho nos exames de acesso às universidades e acreditam que experimentos de física pouco tem a acrescentar para o sucesso nesses exames. Nosso trabalho procura, obviamente dentro de certas limitações, mostrar ao professor que alguns experimentos de eletricidade e magnetismo podem ser facilmente construídos e desenvolvidos, utilizando-se para isso um tempo muito pequeno e a um preço realmente muito baixo. Nossa intenção é apenas mostrar que tais experimentos podem ser construídos muito rapidamente e realizados muito facilmente, deixando para o professor escolher a melhor forma de trabalhar com eles em cada caso.

As experiências descritas encaixam-se nas vertentes ilustradas por Borges [5] nos vários tipos de laboratórios existentes nas escolas. Nesses experimentos

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26 a 30 de janeiro de 2015

podem ser exploradas leituras de dados, cálculo de resultados, verificação de leis, e exigência de habilidades práticas em diversos níveis de dificuldade. Foi dada prioridade a alguns conceitos tradicionalmente apresentados em aulas teóricas, quais sejam: o conceito de campo elétrico, o de potencial elétrico, leis de Ohm e conceitos do eletromagnetismo. Esses experimentos foram realizados por turmas de colégios públicos e privados da cidade do Rio de Janeiro cujos resultados de tais trabalhos serão futuramente analisados e comparados com turmas que não realizaram tais atividades.

## 2. Experimento sobre o conceito de campo elétrico

Alguns conceitos da física são bastante complexos para os estudantes. Os de campo elétrico e potencial elétrico fazem parte desse grupo. Quando são apresentados os conceitos de força, velocidade, massa e outras grandezas aparentemente mais concretas para o aluno, dificilmente os professores são questionados sobre a realidade de tais conceitos. Por outro lado, o conceito de campo elétrico é extremamente abstrato para a maioria dos alunos. Os livros didáticos costumam fazer analogias com o campo gravitacional, que a princípio seria um conceito mais próximo do aluno, mas nem sempre o estudante se satisfaz com a comparação ou a compreende corretamente.

Para apresentar o conceito de campo elétrico, foi usado um gerador de diferença de potencial (custo R$ 25,00) que foi adquirido em um quiosque de um conhecido mercado de ambulantes no Rio de Janeiro (Fig 1). É vendido muitas vezes como um brinquedo ou luminária e pode ser também comprado em diversos sites da internet. Uma lâmpada de teste em formato de chave de fenda (R$ 3,50) também foi utilizada na experiência.

Figura 1: Gerador e chave de fenda de testes

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O objetivo é mostrar ao aluno que há uma região do espaço, em volta do gerador (luminária), que provoca uma interação elétrica. A lâmpada da chave de fenda acende ao se aproximar do gerador e apaga quando posicionada mais distante deste. Assim é possível mapear, aproximadamente, qual seria a área de atuação da interação elétrica, isto é, a região do espaço onde o campo elétrico atua. A visualização de uma região nos remete automaticamente à ideia de campo (campo entendido como sendo uma região do espaço) passando a fazer sentido a

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expressão campo elétrico. É uma experiência bastante simples onde outros assuntos e conteúdos podem ser discutidos. Por que os raios emitidos pelo gerador são disparados aleatoriamente, mas quando se coloca a mão na esfera de vidro do gerador os raios se concentram ali? O que são aqueles raios? Por que não tomamos choque ao encostar a mão na esfera?

## 3. Experimento sobre o conceito de potencial elétrico

Nesse experimento utilizou-se um voltímetro (R$ 25,00), um recipiente de vidro com água, duas placas metálicas, fios de ligação e uma fonte de tensão constante (Fig 2). O experimento pode também ser realizado substituindo a fonte de tensão por pilhas comuns e uma pequena lâmpada no lugar do voltímetro.

Cada polo da fonte é conectado a uma placa. As duas placas são colocadas dentro do recipiente de vidro ainda vazio e com o voltímetro mede-se a diferença de potencial entre as placas. Os alunos verificam que não há tensão no recipiente. Uma folha quadriculada é colocada embaixo desse recipiente de vidro para que possam ser realizadas medidas com o voltímetro em pontos equidistantes, isto é, leituras sob espaços iguais.

Coloca-se água no recipiente e os alunos refazem as leituras com o voltímetro para intervalos iguais em uma linha perpendicular às placas e em outras linhas paralelas a essas placas. Com essas leituras é possível discutir a queda constante do potencial entre as placas (ilustrando o campo uniforme), a não existência de diferença de potencial entre uma linha paralela às placas (ilustrando a superfície equipotencial) e a relação entre o meio 'colaborar' com a interação elétrica já que sem água não havia medidas no voltímetro. É possível também acrescentar sal comum ao recipiente com água e observar novas medidas, levantando novos questionamentos sobre a influência do meio (por que o sal modifica as medidas?).

Figura 2: Recipiente com as placas metálicas

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## 4. Experimento sobre eletrodinâmica

Muitas instituições possuem laboratórios que utilizam componentes eletroeletrônicos e equipamentos comumente usados para a montagem de circuitos que podem ser construídos quando se dispõe de tempo e pessoal de apoio. Obviamente sabemos que muitas escolas não dispõem de tal tipo de material e nem de pessoal disponível para apoio no laboratório.

Independentemente de tais disponibilidades, é consenso entre os professores de física que compreender conceitos básicos de eletrostática [6] e eletrodinâmica é importante tanto para a bagagem cultural das pessoas quanto para o entendimento de situações do cotidiano. Muitos tópicos da eletrodinâmica, tais como resistência elétrica, associações de resistores, curto circuito, corrente e potência elétrica podem ser entendidos com a montagem de simples quadros de lâmpadas [7]. Esses quadros podem ser construídos facilmente utilizando-se lâmpadas de lanterna e suportes de pilha. Optou-se por uma construção alternativa de quadros de lâmpadas ainda mais fáceis de ser confeccionados e que permitem também discutir alguns conceitos diferentes daqueles citados anteriormente. Para isso foram empregados diodos emissores de luz (led) no lugar de lâmpadas incandescentes (Figs 3 e 5).

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Figura 3 : Ligação dos leds em série e paralelo com bateria e pilhas

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Foram utilizados três leds vermelhos de alto brilho de 3,0V (a um custo individual de 80 centavos de real cada) que podem ser fixados em uma pequena placa de isopor, eliminando-se o receptáculo das lâmpadas que é comumente utilizado nas montagens tradicionais. Foram utilizados suportes de pilhas (R$ 2,50 cada) e suportes de baterias (R$ 2,00 cada). As pilhas possuem preços variados (por volta de R$ 3,00 o par) e não precisam ser usadas pilhas alcalinas. Foram também utilizadas baterias de 9,0 V (as mais baratas foram compradas por R$4,50 cada). Assim um conjunto individual para cada aluno saiu por volta de R$ 15,00. Muitos alunos usaram pilhas e baterias que já possuíam em casa, tornando ainda mais barato a atividade.

Os leds, por serem semicondutores, não funcionam da mesma forma que os resistores, mas criam novas situações de abordagem para o conceito de corrente elétrica. O diodo precisa de um sentido correto de corrente elétrica para funcionar, assim novas outras questões podem ser levantadas, tais como: o que é um semicondutor? Qual a importância do reconhecimento do polo positivo e negativo

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das pilhas, baterias e leds? Por que os leds acendem em paralelo com 3 V, mas não acendem em série com 3 V? Por que eles acendem em série com a bateria de 9V?

Utilizou-se, em alguns casos, a porta USB de um computador como fonte de alimentação (Fig 4). A porta USB possui quatro fios onde um dos extremos possui 5,0 V e o outro é o neutro/terra. É possível, com fios de ligação, usar os terminais da porta USB como fonte. Um mouse quebrado com conexão USB pode ter seu fio reutilizado, tornando o contato com os leds bem eficaz (Fig 5).

Figura 4: pinos da entrada USB

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A figura 4, acima, ilustra os pinos e suas funções. É importante ressaltar que as cores nem sempre são as descritas acima. No fio de mouse reutilizado, a fase +5V estava com fio de cor branca e o fio terra com cor azul. Observando a entrada USB (como ilustrado a figura 4) é possível identificar qual a ordem dos pinos e fios sem necessidade de se identificar as cores.

Figura 5: leds ligados a um fio com conector USB

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## 5. Experimento sobre Magnetismo

A experiência realizada para ilustrar o magnetismo foi elaborada com limalha de ferro e ímãs. A limalha pode ser feita a partir de esponjas de aço e os ímãs podem ser comprados ou obtidos, por exemplo, de alto-falantes danificados. O ímã é colocado embaixo de uma folha de papel e em seguida a limalha é espalhada sobre a folha (Figs 6 e 7). As pequenas partículas da limalha assumem as configurações das linhas de campo e podem ser observadas com facilidade. Uma alternativa é o uso de um recipiente transparente com óleo mineral e a limalha. A limalha repousa no fundo do recipiente, e após um leve chacoalhar no óleo mineral ela se espalha de forma mais ou menos uniforme. Ao colocar o ímã nas proximidades da limalha, as partículas assumem o formato das linhas de campo.

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Figura 6: ímã de neodímio e o campo formado com limalha

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Experimentos demonstrativos como esse podem parecer muito simples para a maioria dos professores que por isso, muitas vezes, deixam de realizar esse tipo de atividade. Entretanto, para alunos que raramente tem a oportunidade de ter contato com atividades experimentais, eles podem parecer extremamente interessantes, e não é incomum relatos de alunos que reproduziram esses experimentos em casa ou na presença de amigos.

Figura 7: ímã tipo ferradura e as linhas de campo correspondentes

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## 6. Experimento sobre Eletromagnetismo

Esse experimento se destina àqueles professores que tem como objetivo discutir conceitos mais avançados (Leis de Lenz e de Faraday) do que os apresentados tradicionalmente no ensino médio, apesar de seu conteúdo constar, na maioria dos casos, na programação e planejamento oficiais das escolas. Vale lembrar que o experimento é adequado também para ser apresentado em cursos introdutórios de eletromagnetismo para o ensino superior.

A despeito da relativa complexidade conceitual desse experimento, os materiais utilizados são de simples aquisição e preço baixo. Consta de um ímã de neodímio (o mesmo utilizado no experimento 5 a um custo de R$ 25,00), um objeto, por exemplo de ferro, sem estar magnetizado, de massa e formato próximos ao do ímã e de um tubo de alumínio de aproximadamente 2m de comprimento e diâmetro interno em torno de 8cm. A apresentação resume-se em deixar cair o objeto pelo tubo na vertical e esperar que ele chegue ao solo; em seguida deixar cair o ímã e comparar o tempo de queda (Fig 8). O tempo de queda do ímã será bem maior (em torno de 3 x maior) do que o do objeto. A situação permite a discussão sobre o

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motivo da demora durante a queda do ímã. O debate leva a apresentação da Lei de Lenz e da Lei de Faraday-Neumann sobre a criação de correntes induzidas por campos magnéticos variáveis. Quando o ímã se desloca no interior do tubo de alumínio (Fig.8a), induz nesse tubo uma corrente elétrica. As correntes elétricas presentes no tubo geram campos magnéticos que interagem com o campo magnético do ímã. Sua ação é análoga à presença de imãs (Fig.8b). O efeito dessa interação, em função da velocidade de queda do ímã, é o aparecimento de uma força magnética, aplicada no ímã, que se opõe à da gravidade e diminui a aceleração de queda desse ímã.

Figura 8: imã em queda no interior do tubo de alumínio.

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## 7. Conclusões

A realização de experimentos em laboratórios didáticos ou demonstrações experimentais na sala de aula são, invariavelmente, bem recebidas pelos alunos, mesmo quando um número relevante desses alunos em uma dada turma não se interessa, a princípio, pelos conceitos de Física que estão sendo apresentados teoricamente em sala de aula. Portanto, quando levamos uma turma ao laboratório, ou simplesmente apresentamos um experimento demonstrativo, estamos a um só tempo articulando didaticamente duas frentes importantes para o ensino de ciências: primeiramente, incorporando a dimensão da Física como ciência dependente do trabalho experimental e em segundo plano - não menos importante - uma dimensão lúdica que não pode ser dissociada da atividade docente, no sentido de tentar estimular os alunos a sentirem prazer no ato de estudar. Nesse sentido, os experimentos acima descritos podem dar conta dessas duas dimensões pedagógicas, pois sendo fáceis de serem realizados, em função do baixo custo e simplicidade de execução, auxiliam muito na apresentação dos conteúdos de difícil assimilação. Cada experimento abre um leque muito grande de possibilidades que cada professor, dentro de suas condições de trabalho, pode escolher como sendo as mais adequadas em cada caso. Deixamos para esse professor a escolha de tais possibilidades, uma vez que o objetivo deste trabalho é apenas apresentar os

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experimentos sem explorar, em detalhes, todo o potencial que cada atividade apresentada pode oferecer.

## Referências

- [1] PIETROCOLA, Maurício et al. Coleção Física em Contexto. São Paulo: Editora FTD, 2010.
- [2] FUKE, Luis Felipe; YAMAMOTO, Kazuhito. Coleção Física para o Ensino Médio. São Paulo: Editora Saraiva, 2010.
- [3] MENEZES, Luis Carlos et al. Coleção Quanta Física. São Paulo: Editora PD, 2010.
- [4] GUALTER, Jose Biscuola; NEWTON, Vilas Boas, HELOU, Ricardo. Coleção Tópicos de Física. São Paulo: Editora Saraiva, 2008.
- [5] BORGES, A. Tarciso. Novos Rumos Para o Laboratório Escolar de Ciências. Caderno Brasileiro de Ensino de Física v.19, n.3 p. 291-313, 2002.
- [6] GANCI, Alessio; GANCI, Salvatore. Demonstration experiments in electrostatics: low cost devices Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 34, n. 2, 2012.
- [7] SILVA, Mauro Costa, Quais lâmpadas acendem? Entendendo o funcionamento dos circuitos elétricos. A Física na Escola. v. 12, n.1, maio, p.16-19, 2011.

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