Supercondutividade no Ensino Médio: Possível sequência didática

## SUPERCONDUTIVIDADE NO ENSINO MÉDIO- POSSÍVEL SEQUÊNCIA DIDÁTICA

Victor Sardinha Bexiga , Glauco Salomão Ferreira Ribas , Luiz Carlos Gomes , 1 2 3 Luciano Slovinscki 4

- 1 Colégio Militar de Porto Alegre, victorbexiga@gmail.com
- 2 Colégio Militar de Porto Alegre, glaucosfr@outlook.com
- 3 Colégio Militar de Porto Alegre, luizcarlosg@gmail.com
- 4 Colégio Militar de Porto Alegre, lslovinscki@gmail.com

Resumo: Este trabalho relata o desenvolvimento de temas relacionados à Supercondutividade em turmas de nível médio a partir da associação com assuntos pertencentes aos PCN's (Parâmetros Curriculares Nacionais) da área de Ciências da Natureza, no caso, Eletrodinâmica e Efeito Joule. Para tal, foi utilizada uma sequência didática com uma atividade prática, uma palestra e uma demonstração. A atividade prática consistiu na medição do aumento da resistividade ao se aumentar o fluxo de corrente através de um condutor ligado a uma lâmpada. A segunda atividade envolveu a apresentação de um trabalho relacionado à evolução histórica das descobertas relacionadas à Supercondutividade. A sequência termina em uma demonstração realizada na terceira atividade, envolvendo a Levitação Magnética através da utilização de Nitrogênio Líquido e uma pastilha supercondutora. O trabalho permitiu, além da abordagem de assuntos de Física Moderna, a revisão de conceitos importantes presentes nos currículos de Física do Ensino Médio, bem como demonstrar a mudança do cenário moderno com o aproveitamento dos fenômenos observados.

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Palavras-chave : Supercondutividade, Sequência Didática, Eletrodinâmica, Eletromagnetismo

## 1. Introdução

Entre os muitos desafios para os docentes de nível médio, independente da área de atuação, está a transposição didática de qualquer assunto. Para os professores de Física não é diferente, contemplando, além dos problemas trazidos pela própria rotina de se lecionar, obstáculos próprios da área, que envolvem uma apatia histórica por boa parte dos alunos.

Este trabalho tem por finalidade demonstrar uma experiência de sucesso de transposição didática de tópicos de Física Moderna, especificamente ligados à explicação da Supercondutividade a alunos de Ensino Médio.

Primeiramente, é apresentado o suporte pedagógico utilizado para a elaboração das atividades, trazendo uma síntese das pedagogias de David Ausubel e Jean Piaget, especificamente, ligadas ao Construtivismo.

Em um segundo momento, o trabalho aborda a sequência propriamente dita, trazendo um breve aporte teórico e descrição dos procedimentos tomados na construção da atividade experimental, os conceitos considerados na preparação da palestra sobre o fenômeno da supercondutividade, assim como a demonstração e explicação do efeito Meissner.

No quarto item, este trabalho apresenta os resultados colhidos nos questionamentos prévios e no questionamento final, procurando, ainda que de maneira superficial, apresentar os resultados colhidos das atividades desenvolvidas. Finalmente, o trabalho apresenta suas considerações finais e traz as referências bibliográficas utilizadas para sua elaboração.

Outrossim, esta atividade marca uma necessária e profícua aproximação entre Universidade Pública e Escola, traduzida na parceria que motivou o seu desenvolvimento, o qual culmina com esta exposição oral em um significativo encontro de práticas de ensino, podendo ser utilizada como inspiração ou mesmo motivação para atividades contempladoras de assuntos de Física Moderna no ensino básico.

## 2. Suporte Pedagógico

## 2.1 - A aprendizagem significativa de David Ausubel

David Ausubel foi um psicólogo e pedagogo estadunidense que nasceu em Nova York, em 1918. Criticou duramente o comportamentalismo, sendo uma das principais vozes do cognitivismo, de modo que sua teoria foi um dos principais referenciais para o desenvolvimento de projetos em ensino de Ciências em geral.

Segundo Ausubel (Ausubel, 1976), a aprendizagem significativa é bem mais ampla uma vez que o novo conteúdo se relaciona com os conhecimentos prévios do indivíduo. Esta modalidade de aprendizagem é construída com base no interesse do discente em aprender, uma vez que o conteúdo é significativo para sua vida.

Para possibilitar a aprendizagem significativa, o professor necessita propor atividades instigantes que despertem no discente a disposição a aprender. Outra

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característica importante na proposição desta modalidade de aprendizagem é a consideração dos conhecimentos prévios dos alunos de modo que possa sempre existir relação entre o que o aluno já sabe e o conhecimento novo. Estes conhecimentos prévios, 'subsunçores', deverão se relacionar com os novos conceitos, seja por combinação, associação ou mesmo representação, levando o discente a um processo denominado reconciliação integrativa de subsunçores e, consequentemente, a um estado cognitivo mais desenvolvido. Este processo pode se dar por recepção ou descoberta, desde que seja de maneira não arbitrária, mantendo uma relação substantiva com os conceitos prévios do indivíduo.

A pedagogia de Ausubel se relaciona de maneira positiva com os anseios da sociedade da informação, ora formada, uma vez que ela procura se aproximar da realidade do sujeito, considerando suas expectativas e o deixando preparado para propor mudanças em sua realidade.

## 2.1.2 - A pedagogia interacionista de Jean Piaget

Jean Piaget foi um biólogo nascido na Suíça em 1896. Formou-se, inicialmente em Biologia, o que provavelmente facilitou sua observação científica do processo de aprendizagem, sempre orientado pela genética na estruturação de sua epistemologia. Também estudou Psicologia, utilizando seus conhecimentos para compreender como ocorria o desenvolvimento cognitivo e observando sistematicamente a aprendizagem de crianças.

Segundo Piaget, o conhecimento é edificado dentro de um processo de assimilação e acomodação. O indivíduo, visando suprir intrinsecamente uma necessidade biológica, procura uma situação de equilíbrio articulando estes dois artifícios.

Epistemologicamente, o sujeito se desenvolve através da experiência e do racionalismo, tendo este papel primordial nesta relação. Não basta o sujeito observar qualquer experimentação sem que racionalize os dados adquiridos durante a ação. Somente o indivíduo será capaz de se desenvolver, construindo seu conhecimento.

Biologicamente, o sujeito utiliza sua inteligência para se adaptar ao meio em que vive. Este processo de adaptação se faz em dois momentos: no primeiro, ele incorpora elementos do meio em que vive através de um processo de assimilação. Em um segundo momento, os conceitos assimilados se acomodam ao indivíduo, modificando sua estrutura para um estado cognitivo superior.

Quanto a estratégias facilitadoras de generalização ou desenvolvimento do pensamento formal, visando à apropriação de conceitos ou habilidades, Piaget sugere que a ação inicie através de recursos concretos (descoberta de objetos, manipulação, acontecimentos ou situações concretas), depois, segue-se um questionamento progressivo, para culminar com a introdução de tarefas abstratas em conjunto com situações novas, que levem o sujeito a um conflito cognitivo (desequilíbrio). Dessa forma, o sujeito é forçado, de maneira natural, à assimilação e acomodação de novos conceitos (reequilíbrio). Segundo Piaget, quando a atividade leva o sujeito ao conflito cognitivo, este fica mais propício a novas aquisições de conceitos de modo que estes se consolidem com a estrutura do indivíduo.

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Em se tratando do exercício da docência, Piaget recomenda que o educador conheça as características dos estádios , procurando reconhecer as dificuldades do discente, 1 tomando a devida atenção para não exclui-lo do processo de ensino. Isto pode ser feito através de um diagnóstico prévio do aluno, para expô-lo a atividades adequadas.

## 3. A Sequência Didática

## 3.1 - Resistividade, temperatura e corrente elétrica

No início do século XIX, os cientistas ainda não conseguiam explicar como o calor fluía de um corpo para outro. A ideia do 'calórico' ainda era popular, até que James Joule justificou a transformação de energia elétrica em energia térmica em decorrência dos inúmeros choques que ocorrem entre os elétrons que formam a corrente elétrica e os átomos que compõem um condutor. Com os choques, os elétrons do condutor adquirem maior energia cinética e parte dela é transferida aos átomos do condutor, aumentando seu grau de agitação, o que pode se percebido pelo aumento de temperatura. Este aumento de temperatura também possui relação com a incandescência, que é a luz emitida em virtude do aquecimento.

Esta atividade tem por finalidade verificar experimentalmente o efeito joule. Para isto, precisaremos do seguinte material:

- - uma fonte de d.d.p. variável (0 - 12 V);
- - uma lâmpada incandescente (12 V);
- - um amperímetro com precisão de 5 mA;
- - um voltímetro com precisão de 1 V;
- - fios condutores; e
- - uma web cam.

Previamente foi montado o seguinte circuito elétrico:

Figura 1 - Circuito elétrico

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A atividade proposta consta em ligar a lâmpada à fonte de d.d.p . variável e para cada valor de d.d.p . ler também o respectivo valor da intensidade de corrente elétrica , preenchendo a tabela abaixo. Para completá-la, deve-se utilizar a definição de Resistência elétrica, que a relaciona à corrente elétrica e à ddp, bem como a

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relação da Potência elétrica com a corrente e d.d.p (P = V.i). Observe o brilho da lâmpada à medida que se aumenta a d.d.p.

Quadro 1 - Obtenção de medidas

V (V)

I(A)

P (W)

R (

Ω

)

À medida que os valores de tensão eram alterados, a webcam era apontada para o leitor de corrente. Os alunos anotaram as medidas de d.d.p e corrente, e através da relação entre corrente elétrica e ddp, calcularam a Resistência Elétrica. Através desta atividade, ficou claro que a resistência da lâmpada não era ôhmica, e que a resistência aumentava de maneira não linear. Desta forma, foi discutido que o aumento do brilho da lâmpada ocorre em função do aumento da corrente elétrica e do respectivo aumento de temperatura no seu filamento. Através deste aumento de temperatura, discutimos o Efeito Joule, que é a transformação de energia elétrica em energia térmica.

## 3.2 - Os pares de Cooper e o fenômeno da supercondutividade

- O fenômeno da supercondutividade vem sendo estudado desde o início do século XX, especialmente de maneira teórica, até que Kamerlingh Onnes verificou o 'Estado Supercondutor', ou seja, o momento em que a resistência elétrica de um condutor fica praticamente nula através do resfriamento deste, ao que se chamou 'Temperatura crítica', de 4,20 K. Para Karmelingh, a baixas temperaturas alguns condutores se tornam 'Condutores Perfeitos'.

Os estudos de supercondutividade foram evoluindo, até que em 1933, foi verificado o chamado Efeito Meissner , que é o estado 'Diamagnético Perfeito' 2 observado em supercondutores, contrariando o que Kamerlingh acreditava ser 'O Condutor Perfeito'. Neste estado, o supercondutor não permite ser atravessado por linhas de campo magnético, expulsando o campo magnético existente em seu interior.

- O fenômeno da supercondutividade e a posterior observação do Efeito Meissner foram teorizados pelos irmãos London, que os levaram a dividir os supercondutores em dois grupos: os supercondutores do grupo I, diamagnéticos perfeitos, e os supercondutores do grupo II, que permitiam que o campo magnético pudesse fluir através de algumas fendas que mantinham o fluxo magnético aprisionado. Os London observaram, ainda, que o estado supercondutor poderia ser destruído quando o condutor fosse submetido a um campo magnético muito forte.

Apesar das diversas tentativas de se explicar a supercondutividade, somente em 1957 surgiu uma explicação convincente ao fenômeno da supercondutividade,

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através da teoria BCS. De acordo com Bardeen, Cooper e Schrieffer, quando abaixo da temperatura crítica, os elétrons de um supercondutor se agrupam em pares, os chamados 'Pares de Cooper'. Os pares de elétrons são formados por causa de vibrações na rede, chamadas de fônons, desde que estes elétrons estejam com uma energia cinética abaixo de um determinado 'gap '. Em um condutor normal a energia 3 do elétron é mais alta do que a do gap, não permitindo a formação de Pares de Cooper. A passagem de uma corrente elétrica através de um condutor nesta situação será tal qual o que prescreve o Efeito Joule, ou seja, quanto maior for a corrente elétrica, maior será a resistividade apresentada pelo condutor. Porém, quando há pouca disponibilidade de energia térmica no condutor, a energia cinética dos elétrons não conseguirá superar o 'gap', não permitindo que este perca energia cinética para a rede. Como quanticamente não se pode ter uma troca de energia parcial, o choque, se ocorrer, será elástico.

- O grande sucesso da teoria BCS se confirma quando se analisam as previsões teóricas com os resultados experimentais. A supercondutividade evoluiu ainda mais após a surpreendente quebra de paradigma propiciada na década de 80 por George Berdnorz e Alex Mueller, quando conseguiram observar o fenômeno da resistividade zero e o Efeito Meissner em materiais que, à temperatura ambiente, são péssimos condutores. Surpreendentemente, estes supercondutores apresentam, em relação aos supercondutores até então conhecidos, uma alta temperatura crítica, cerca de 23 K.
- O objetivo desta atividade foi abordar, de maneira qualitativa, os principais conceitos relacionados à supercondutividade, focando-se na explicação do efeito Meissner e tendo como referência a Teoria BCS. Utilizou como subsunçor a atividade descrita na seção 3.1, que foi a experimentação do efeito Joule.

Inicialmente fizemos um questionário de concepções prévias contendo as seguintes perguntas:

- 1) Como você pode explicar a relação que existe entre resistividade de um meio condutor e sua temperatura?
- 2) Como você explica a existência de materiais que se magnetizam, sendo atraídos por um ímã permanente, e outros que na presença desse mesmo ímã não sofrem nenhum efeito magnético significativo?
- 3) Existe alguma relação entre corrente elétrica e campo magnético? Como você explica a deflexão de uma bússola nas proximidades de um fio condutor que é percorrido por uma corrente elétrica?
- 4) O que você entende por supercondutividade?

Em seguida, apresentamos uma sequência de slides, procurando evidenciar o fenômeno da supercondutividade, relacionando os conceitos trabalhados na experiência de Joule (3.1). Após esta apresentação fizemos uma demonstração do efeito Meissner. Para isto, utilizamos o seguinte material:

- - 01 (um) litro de Nitrogênio Líquido;
- 3 Termo técnico utilizado para diferenciar a energia de elétrons. Quando abaixo de determinado valor, os elétrons podem formar os 'pares de Cooper '.

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- - 01 (uma) pastilha supercondutora; e
- - 01 (um) imã de Neodímio Cadmio.
- A pastilha supercondutora e o Nitrogênio foram disponibilizados pela UFRGS 4 , através de uma parceria do instituto de Física com o Colégio Militar de Porto Alegre por intermédio do Professor Dr Paulo Pureur Neto. Após a demonstração da levitação magnética e a discussão sobre suas possíveis aplicações, os alunos preencheram novamente um questionário contendo as mesmas questões realizadas na tomada de concepções prévias, com a finalidade de se verificar o desenvolvimento conceitual atingido pelos discentes.

## 4. Resultados

Pela análise do questionamento prévio, destacamos o seguinte:

- a. Parte significativa dos discentes acreditavam que o aumento de temperatura levaria à diminuição da resistividade do material.
- b. Cerca de 80% das respostas associam a supercondutividade à uma condição em que o material tem sua resistividade diminuída, se tornando um excelente condutor.
- c. Nenhum aluno citou o efeito Meissner ou mesmo associou a levitação magnética à supercondutividade.

Através da análise do questionamento final, destacamos o seguinte:

- a. 100% dos alunos citaram o aumento de resistividade em função do aumento de temperatura.
- b. 40% dos alunos citaram o efeito Meissner e a levitação magnética.
- c. 70% dos alunos caracterizaram a resistividade como 'nula' ou 'praticamente nula', relacionando esta queda à supercondutividade, enfatizando que o fenômeno só ocorre a baixas temperaturas.

## 5. Considerações Finais

Através da análise dos dados obtidos percebemos que a sequência didática permitiu um desenvolvimento considerável nas concepções a respeito da supercondutividade, especialmente sobre o efeito Meissner e a necessidade de baixas temperaturas para que o material apresente o estado supercondutor.

Ficou latente que a atividade motivou os discentes, uma vez que estes demonstraram maior grau de envolvimento, que pode ser notado pela qualidade das respostas realizadas no questionário final, ainda que a pergunta não fosse diretamente sobre supercondutividade.

- A atividade em parceria com a UFRGS marcou uma profícua aproximação entre a Universidade e a Escola Básica, podendo fomentar futuros trabalhos em conjunto, além de se poder elencar oportunidades de melhoria.

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## 6. Referências Bibliográficas

AUSUBEL, David. Educational Psicology: A Cognitive View . New York and Toronto: Holt, Rinehart and Winston, 1969.

MOREIRA, Marco Antônio. Teorias de Aprendizagens. São Paulo: EPU, 1995.

BARDEEN, J.; COOPER, L. N.; SCHRIEFFER, J. R.. Theory of Superconductivity. Urbana, Illinois : Department of Physics: University of Illinois, 1957.

PIAGET, Jean. A epistemologia Genética e a Pesquisa Psicológica. Rio de Janeiro: Abril, 1974.

Páginas na internet

Supercondutividade, Victor Sardinha Bexiga. Apresentação de slides, disponível em:

https://prezi.com/smgzsfyrtpnm/supercondutividade/

Seara da Física, A supercondutividade à altas temperaturas. Disponível em:

http://www.seara.ufc.br/especiais/fisica/supercondutividade/supercondutividade5.htm

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