O EXPERIMENTO DEMONSTRATIVO DE OLIVER LODGE NO ENSINO DO ELETROMAGNETISMO NO ENSINO MÉDIO.

## O EXPERIMENTO DEMONSTRATIVO DE OLIVER LODGE NO ENSINO DO ELETROMAGNETISMO NO ENSINO MÉDIO.

## Gilberto de Oliveira Paulino , Wilson de Souza Melo , 1 2

## Resumo

Apresentaremos neste trabalho uma proposta de inserção do eletromagnetismo no ensino médio, a partir da utilização de experimentos e demonstrações históricas. Mais especificamente o experimento demonstrativo de Oliver Lodge, físico da universidade de Liverpool, na Inglaterra, que projetou em 1894 um sistema efetivo de recepção das ondas eletromagnéticas cuja principal inovação foi o emprego do coesor, originalmente inventado por Edouard Branly, no lugar da antena de Hertz. Acreditamos que tal experimento tem a importância necessária para se enquadrar na designação de um experimento histórico possibilitando uma abordagem voltada para a história da ciência. Interessa-nos neste trabalho localizar na história o contexto em que Lodge produziu seu experimento e fazer uma explanação geral do tema. Este trabalho é parte inicial da dissertação em construção no Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF), do Polo da Universidade Federal de Juiz de Fora, em conjunto com o Instituto Federal do Sudeste Mineiro - MG. Pretendemos desenvolver posteriormente, como produto educacional, uma proposta de protótipo do experimento de Lodge a ser construído no decorrer da pós-graduação. Assim como uma sequência didática que corresponda aos objetivos educacionais da proposta.

Palavras-chave : Ensino; Física; Experimentos Históricos; Eletromagnetismo.

## Introdução

A importância da história da ciência no ensino das ciências tem sido reforçada e abordada em vários artigos e trabalhos nos últimos anos. As motivações para este enfoque pedagógico passam pelos aspectos motivacionais, pela importância de colocar em destaque a própria natureza da ciência e pelo potencial de dar sentido histórico as transformações das ideias. A utilização da história da ciência no ensino permite uma articulação entre a dimensão empírica do conhecimento cientifico na sala de aula de maneira contextualizada e culturalmente rica. (Paula, 2006).

Uma conexão entre o ensino de física e aspectos da história da ciência é o que defende o Grupo de Pesquisas em Ensino Superior e História da Ciência do Departamento de Física da Universidade de Oldenburg (Alemanha).

Este grupo enfatiza a ideia de que a replicação de experimentos históricos pode ser de grande valia para o desenvolvimento de uma cultura científica, a partir do momento que se aprende reproduzindo, pois, reconstruindo novamente situações experimentais históricas é possível descobrir dimensões do laboratório de ciências naturais. (Paula, 2006).

Niaz (2000) defende a ideia de uma reconstrução racional das observações experimentais na utilização pedagógica da história da ciência.

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23 a 27 de janeiro de 2017

Os registros na literatura propugnando por uma utilização crítica de reproduções experimentais históricas no ensino da ciência são significativos. Chew (1986), por exemplo, descreve a importância da utilização de antigos aparelhos de laboratório de ensino para o desenvolvimento da educação em ciências.

Anderson (1992) sugere mesmo o uso dos registros escritos de antigas patentes, contendo detalhes de funcionamento de certos aparelhos, como instrumentos pedagógicos em sala de aula, pelo fato dos mesmos incluírem também importantes informações históricas sobre a ciência, a tecnologia e seus modos de produção.

Este trabalho pretende apresentar uma proposta de utilização do experimento demonstrativo histórico de Oliver Lodge no ensino médio. Para isso é preciso entender o contexto de sua aparição.

## Compreendendo Oliver Lodge

Foi em um encontro anual em 14 de agosto de 1894, da Associação Britânica para o Avanço da Ciência na Universidade de Oxford, para um público de mais de duas mil pessoas, que podemos dizer que se inaugura uma das maiores transformações no mundo das comunicações. Após séculos de experiências com eletricidade uma nova era de conhecimento começava a surgir.

Mas antes disso, na metade do século XIX, James Clerk Maxwell substanciou uma teoria para dar conta de explicar um número maior de fenômenos.

A teoria eletromagnética da luz proposta por Maxwell introduziu uma série de novos conceitos como a equivalência entre a luz e as ondas eletromagnéticas em 1861.

Maxwell fez uso de formulações existentes sobre fenômenos elétricos e magnéticos feitas por outros físicos para escrever as chamadas Leis de Maxwell. (ARAUJO & MOREIRA, 2011)

Em suas equações, relacionou os vetores campo elétrico e magnético a suas fontes, que podem ser cargas elétricas, correntes ou campos variáveis. A partir de suas equações é possível demonstrar todas as leis fundamentais da eletricidade e do magnetismo: Lei de Coloumb, Gauss, Biot Savart, Ampere e Faraday. (Tipler, 2000).

Maxwell, portanto, não inventou as equações que hoje levam seu nome. A sua importante contribuição foi a de mostrar que essas equações formam a base da interpretação de todos os fenômenos eletromagnéticos de campo, incluindo ondas eletromagnéticas. (ARAUJO & MOREIRA, 2011)

Estendeu assim princípios já estabelecidos no estudo dos fenômenos da eletricidade a partir de uma teoria matemática.

As quatro equações básicas do campo eletromagnético podem ser expressas de acordo com seu significado físico, da seguinte forma:

- 1) Cargas elétricas são geradoras de campo elétrico. Se a carga for puntiforme, o campo elétrico produzido por ela será dado pela Lei de Coulomb.

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- 2) Não existem monopolos magnéticos.
- 3) Um campo magnético pode ser produzido tanto por uma corrente elétrica como por um campo elétrico variável.
- 4) Um campo magnético variável produz um campo elétrico. (ARAUJO & MOREIRA, 2011)

Com essas ideias Maxwell generalizou, matematicamente, os princípios do eletromagnetismo.

Nas equações sintetizadas, Maxwell mostra que a eletricidade e o magnetismo são coisas interligadas e que acontecem em ondas. Os cálculos de Maxwell mostravam como estes campos poderiam ser transformados. Ao mudar a direção da corrente elétrica cria-se uma onda no campo elétrico e magnético, e a mudança constante de direção da corrente cria uma série de ondas constantes, ondas que carregam energia.

Essa teoria previa a existência de um novo tipo de onda, as ondas eletromagnéticas.

- O físico Heinrich Rudolf Hertz decidiu se dedicar a criação de um experimento que comprovasse a existência das ondas de Maxwell.

Este físico elaborou um instrumento capaz de criar e detectar as ondas eletromagnéticas (Fig. 1) que previra Maxwell e no dia 29 de novembro de 1888, na escuridão absoluta, pôde finalmente ver uma faísca microscópica e concluiu que era eletricidade.

Fig. 1 um instrumento capaz de criar e detectar as ondas eletromagnéticas de Hertz Fonte: http://www.pantojaindustrial.com/exibir.php?id=106

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Utilizou um oscilador feito de esferas de bronze polido, cada uma delas conectadas a uma bobina e separadas por um pequeno distanciamento o qual permitia o centelhamento pelas altas tensões aplicadas. Hertz assumiu que, se as predições de Maxwell estivessem corretas, ondas eletromagnéticas seriam geradas quando da ocorrência de cada centelha. (Tipler, 2000).

A ideia básica era, uma vez que uma centelha fechasse o circuito pelo ar e entre as esferas de bronze, a carga rapidamente oscilaria e esse movimento de cargas emitiria radiação eletromagnética de comprimento de onda da ordem do tamanho dos condutores de bronze em si. Para confirmar isso, Hertz construiu também um receptor simples que consistia numa espira aberta, na qual duas

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pequenas esferas também estavam separadas por uma distância pequena. O receptor foi colocado a alguns metros de distância do oscilador.

De acordo com a teoria de Maxwell, se ondas eletromagnéticas fossem geradas pelo faiscamento, elas induziriam uma corrente na espira receptora e a mesma produziria um centelhamento entre suas esferas. E foi o que ocorreu quando Hertz ligou seu oscilador, produzindo assim a primeira transmissão e recepção de ondas eletromagnéticas.

Fig. 2 . Centelhamento de Hertz

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Fonte: http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/112/htm/sec\_17.htm

A teoria de Maxwell mostrou que cargas elétricas criam campos de força ao seu redor e que as ondas se propagam nestes campos como em um lago e Hertz construiu um dispositivo que poderia criar e detectar as ondas que passavam pelo ar.

Na Inglaterra Oliver Lodge, também era fascinado pelo tema há anos e em 1894, ano da morte de Hertz, Oliver Lodge apresentou, em uma palestra em Oxford, após fazer grandes avanços no aparelho de Hertz de detecção de ondas, aparelho que consistia de duas esferas de metal separadas por um pequeno espaço, como se vê na Fig. 3.

Fig. 3 . Experiência da campainha - limalha de ferro. Fonte: http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12\_HC13.asp

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Ele utilizou duas esferas que tendiam a fundir-se uma com a outra após a passagem de uma centelha, podendo, entretanto, ser separadas novamente por meio de uma pequena batida.

Assim, a resistência elétrica de uma esfera para a outra era muito alta, antes da passagem da centelha, e muito baixa, depois dela. Estas esferas que tendiam a 'aderir-se' após uma centelha e o aparelho tomou-se conhecido como coesor e foi utilizado primeiro para outros fins por E. Branly. (LODGE, 1894)

O aparelho foi ligado em série com uma bateria e uma campainha elétrica, conforme mostramos acima.

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Quando se deu uma centelha em um circuito próximo, as esferas se juntaram, o circuito foi fechado e a campainha começou a tocar, continuando assim até que as esferas fossem separadas por uma pequena pancada. Quando Lodge colocou a campainha no mesmo suporte do coesor, a vibração mecânica da primeira batida da campainha foi suficiente para separar as esferas. Cada centelha foi então assinalada por um toque separado da campainha.

A Plateia ficou surpresa em como a partir de um dispositivo a distância se poderia tocar uma campainha. Situação parecida com a máquina de telegrafo para uma transmissão de informação só que sem os fios e cabos.

Uma nova forma de comunicação estava ali estabelecida em princípios. As mentes mais atentas às oportunidades da nova tecnologia se esforçaram para aperfeiçoar o dispositivo e dar funcionalidade ao mesmo.

## Metodologia

A demonstração de Lodge em 1894 teve importante papel de divulgação de experiências que já ocorriam e que atestavam as previsões das equações de Maxwell da existência de ondas eletromagnéticas. A partir de sua palestra no ano citado, o potencial tecnológico foi evidenciado e teve papel importante no desenvolvimento posterior de toda uma tecnologia baseada na física presente no seu dispositivo. Assim sendo nada melhor que uma transposição para o momento histórico em que estes princípios estavam sendo discutidos.

Propomos aqui a confecção de um protótipo que remeta ao experimento realizado por Oliver Lodge como um método para articular o potencial tecnológico da comunicação sem fio, a física envolvida no processo da comunicação wireless e aspectos da história da ciência, em uma perspectiva desenvolvida em alguns grupos de pesquisas em ensino de ciências pautado no desenvolvimento de experimentos históricos.

Trata-se de um sistema efetivo de recepção das ondas eletromagnéticas cuja principal inovação a época foi o emprego do coesor, originalmente inventado por E. Branly, no lugar da antena de Hertz. (Fig.4). Um dispositivo que a distância permite tocar uma campainha.

Fig. 4 . Diagrama da estação de recepção de ondas eletromagnéticas desenvolvidas por Oliver Lodge em 1894 onde:

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Fonte:http://www.laboratorioeletronico.com.br/inventores-e-inovadores-da-transmissao-erecepcao-das-ondas-eletromagneticas.html

- a) Coesor ou detector

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- b) Dispositivo para causar a de-coesão por percussão
- c) Bateria
- d) Relé
- e) Registrador
- A construção do protótipo deve ter como objetivo uma aproximação ao experimento histórico, embora saibamos que uma réplica fiel se torna praticamente inviável. Devemos resguardar a simplicidade da demonstração para dela explorar suas possibilidades de abordagem.
- O experimento demonstrativo não deve ter um fim em si mesmo. Não pode ser utilizado como um elemento que por si só permitiria um aprendizado.

Deve ser um elemento catalizador de uma rede de intervenções refletidas que se articulam na busca pelo objetivo educacional.

- O que a abordagem com o experimento histórico de Oliver Lodge permite é trabalhar a história da ciência como um eixo central onde a física envolvida possa ser discutida tendo como pano de fundo um contexto histórico que se relaciona de forma direta com a ciência que se produz no tempo e espaço.

Há ricos temas da história da ciência que podem ser trabalhados como; o ostracismo de Oliver Lodge em detrimentos do sucesso de outros nomes que também trabalharam na comunicação por ondas eletromagnéticas. Mas é preciso um trabalho sistemático de articulação da história do desenvolvimento científico e tecnológico com os conceitos da física. Este é o trabalho a que nos dispomos a desenvolver ao longo do projeto em curso no programa de mestrado profissional.

Em outras palavras, a confecção e a utilização do experimento histórico de Lodge, para fins didáticos, mostra ter potencialidades, as quais procuraremos explorar em trabalhos futuros com a elaboração de uma sequência didática que corresponda aos objetivos educacionais da proposta aqui apresentada.

## Perspectivas e conclusão:

Acreditamos que a apresentação de um protótipo que reproduza os princípios de sistemas demonstrados por Oliver Lodge (em 1894) tem o potencial que buscamos para abordar o tema do eletromagnetismo aliado ao ensino de história da ciência no ensino médio. Além disso, outras potencialidades se abrem como explorar a física de matérias envolvida no funcionamento do coesor que fecha o circuito e a exploração para funcionamento de toda uma comunicação wireless que utilizamos com frequência. Espera-se, no decorrer dos estudos, produzir uma sequência didática que envolva a utilização do protótipo acima no contexto da sala de aula de forma que este seja um elemento catalisador no sentido de trabalhar história da ciência e eletromagnetismo.

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## Referências

ANDERSON, N. Hidden Treasures for Science Teaching: United States Patents . Teaching Guides for Teachers, North Carolina University, 1992.

ARAUJO, I. S. MOREIRA, M. A. Breve Introdução à Lei de Gauss para a Eletricidade e a Lei de Ampère - Maxwell. TEXTOS DE APOIO AO PROFESSOR DE FÍSICA IF-UFRGS - Araujo &amp; Moreira v.22, n.1, 2011

CHEW, V. Bring Out Your Dead Apparatus. The Science Teaching Collection at South Kensington. School Science Review . Vol.68, n242, 1986.

LODGE, O. The Work of Hertz, The Electrician, vol. 33, 1894

NIAZ, M. The Oil Drop Experiment: A Rational Reconstruction of the MillikanEhrenhaft Controversy and Its Implications for Chemistry Textbooks. J.of Research in Science Teaching . Vol.37, n5, 2000.

PAULA, R. C. O. O Uso de Experimentos Históricos no Ensino de Física: Integrando as Dimensões Histórica e Empírica da Ciência na Sala e Aula. Universidade de Brasília, 2006.

TIPLER, P. A.; Física. Volume 2. Livros técnicos e científicos editora,4º edição,2000.

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