“O VIDRO, A HISTÓRIA E O LIVRO”: UMA DISCUSSÃO SOBRE A CONDUTIVIDADE DO VIDRO NA HISTÓRIA E NOS LIVROS DIDÁTICOS DE FÍSICA

## 'O VIDRO, A HISTÓRIA E O LIVRO': UMA DISCUSSÃO SOBRE A CONDUTIVIDADE DO VIDRO NA HISTÓRIA E NOS LIVROS DIDÁTICOS DE FÍSICA

## Daniel dos Anjos Silva 1 , Matteo Leone 2 , Marta Rinaudo 3

- 1 Unicamp/IFGW/PECIM-Instituto Federal do Pernambuco, d119269@dac.unicamp.br
- 2 Università Degli Studi di Torino /Dipartimento di Filosofia e Scienza della Educazione, matteo.leone@unito.it
- 3 Università Degli Studi di Torino/Dipartimento di Fisica, marta.rinaudo@unito.it

## Resumo

Um dos primeiros experimentos conhecidos da eletrostática é aquele em que, a partir da eletrização de um corpo que hoje nomeamos como isolante, utilizando uma substância adequada, faz com que este corpo adquira a propriedade de atrair pequenos corpos leves. Este efeito, que remonta às origens do estudo da eletricidade, é uma das formas mais comuns de introduzir o conceito de carga elétrica nos livros didáticos ao redor do mundo. Um dos materiais que, via de regra, se utiliza para essa introdução é o vidro, que, há muito tempo, foi caracterizado como um bom isolante. Entretanto, caso um estudante realize os experimentos sugeridos pelos livros didáticos com o vidro, ele provavelmente encontrará um resultado diferente, pois a condutividade de grande parte dos vidros atuais é diferente da dos antigos. Após discutir como a condutividade do vidro é apresentada na história da eletricidade e nos livros atuais, nós realizamos alguns experimentos com material de baixo custo que demonstram que parte dos vidros comuns possui comportamento diferente dos vidros antigos, ou seja, para tensões usadas em experimentos de eletrostática, eles se assemelham muito mais a um condutor do que a um isolante. Essa discussão pode contribuir para a didática e para a integração da história da Física e do Ensino de Física sob a perspectiva dos conceitos.

Palavras-chave : Condutividade do vidro, história da eletricidade, livros didáticos de física.

## Introdução

Um dos experimentos clássicos de eletrostática em livros de física básica é aquele em que, ao esfregar um objeto não condutor com uma substância adequada, observa-se que este objeto atrai pequenos corpos leves que estão próximos. O corpo é eletrificado por fricção e os pequenos corpos são posteriormente eletrificados por indução à distância.

Este experimento guarda relação com a descoberta da própria eletricidade, pois remonta ao que é conhecido como efeito âmbar na antiguidade, ou seja, a observação casual de que o âmbar atrai pequenos objetos quando é esfregado. Diz-se que essa observação foi feita durante o trabalho de fiação. Durante a fiação, o anel de âmbar, que muitas vezes adornava o fuso, afundava e girava, esfregando-se contra as roupas das mulheres e atraía poeira e fragmentos de folhas ou palha (RINALDO & LEONI, 2024). Eventualmente, descobriu-se que, quando o âmbar ou uma substância semelhante ao âmbar é esfregada, ocorre eletrificação por fricção e uma carga negativa é gerada (ou 'eletricidade resinosa', para usar uma expressão do século XVIII). Por outro lado, desde os primórdios da pesquisa sobre eletricidade no final do século XVI, principalmente através do trabalho de William Gilbert (1544-1603), descobriu-se que o vidro é outro exemplo de um material

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

'elétrico', ou seja, uma substância que pode ser eletrificada quando esfregada com um material adequado, como seda ou pele. No entanto, ao contrário das substâncias semelhantes ao âmbar, a eletrificação do vidro ou de uma substância semelhante ao vidro produz uma carga positiva ('eletricidade vítrea').

Para introduzir o conceito de carga elétrica, os livros modernos de física geralmente discutem experimentos em que uma carga negativa pode ser gerada ao esfregar objetos semelhantes ao âmbar, como bastões de plástico ou balões de borracha, e uma carga positiva pode ser gerada ao esfregar bastões de vidro.

Como sugerido frequentemente na pesquisa no Ensino de Física, repetir um experimento histórico é uma das estratégias mais eficazes para promover a aprendizagem científica, essa é a posição de Gaspar (2003). No entanto, pode haver mais neste caso histórico do que possa aparentar.

## A parábola do bom isolante

Em sua obra De Magnete (1600), na qual são apresentados os resultados da primeira investigação sistemática do fenômeno de eletrificação por fricção, William Gilbert relata que o vidro é um material 'elétrico', ou seja, uma substância adequada para ser eletrificada por fricção:

Pois não são apenas o âmbar e o (gagates ou) azeviche, como se supõe, que atraem pequenos corpúsculos (substâncias): o mesmo é feito pelo diamante, safira, carbúnculo, pedra-íris, opala, ametista, vicentina, pedra inglesa (pedra de Bristol, bristola), berilo e cristal de rocha. Poderes semelhantes de atração são possuídos pelo vidro , especialmente o vidro claro e brilhante; por gemas artificiais feitas de vidro (de pasta) ou cristal de rocha, vidro de antimônio, muitas fluoritas e belemnites.(GILBERT, 1600).

Um dos pioneiros dos estudos sobre eletricidade no início do século XVIII, Francis Hauksbee (1666-1713), relatou em 1706 nas Philosophical Transactions of the Royal Society of London sobre 'a extraordinária eletricidade do vidro'. Hauksbee fez observações com um tubo de vidro de sílex, que é um vidro contendo chumbo em sua composição, desenvolvido pela primeira vez por volta de 1662:

Peguei um tubo oco de vidro de sílex fino, com cerca de uma polegada de diâmetro e 30 de comprimento, e esfreguei-o vigorosamente na minha mão, que continha um papel, até que ele adquirisse algum grau de calor: então, ele foi segurado em direção a alguns pedaços de folha de latão, que, assim que seu eflúvio os alcançou, começaram a se mover repentinamente, voando em direção ao tubo, mesmo a uma distância de 9 ou 10 polegadas; e parecia que quanto mais quente o tubo era feito pela fricção, maior era a distância que ele atraía [...]. (HAUKSBEE, 1706).

No início da década de 1730, além da distinção de Gilbert entre 'elétricos' e 'não-elétricos', uma segunda forma de classificar as substâncias de acordo com seu comportamento elétrico tornou-se disponível. Essa segunda classificação - entre condutores e não-condutores -foi possibilitada por uma descoberta feita por Stephen Gray (1666-1736): não só os materiais elétricos podem desenvolver uma 'virtude atrativa' ao serem esfregados, mas essa virtude também pode ser 'transferida' para outros objetos. E tal descoberta foi feita com vidro! Como Gray relatou nas Philosophical Transactions , ele, assim como Hauksbee, havia utilizado um tubo de vidro de sílex com cerca de um metro de comprimento e uma polegada de diâmetro:

Em cada extremidade, ajustei uma rolha para evitar que a poeira entrasse quando o tubo não estivesse em uso. O primeiro experimento que realizei

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foi para ver se poderia encontrar alguma diferença em sua atração, quando o tubo estava fechado em ambas as extremidades pelas rolhas ou quando deixado aberto, mas não percebi nenhuma diferença sensível; porém, ao segurar uma pena de pluma sobre a extremidade superior do tubo, descobri que ela ia em direção a rolha, sendo atraída e repelida por ela, assim como pelo tubo quando havia sido excitado por fricção. Em seguida, segurei a pena sobre a extremidade plana da rolha, que atraiu e repeliu várias vezes consecutivas; fiquei muito surpreso e concluí que certamente havia uma virtude atrativa comunicada à rolha pelo tubo excitado. (GRAY, 1731).

A propriedade, de algumas substâncias, de adquirir essa virtude atrativa, que se sabe ser particularmente pronunciada nos metais, foi descoberta pela primeira vez ao aproximar um tubo de vidro previamente eletrificado de uma rolha - não exatamente a primeira substância condutora de eletricidade em que se pensaria.

Pouco depois da descoberta de Gray, também foi constatado que o vidro não só pode ser eletrificado por fricção, mas também é um bom isolante elétrico. O vidro é tão facilmente eletrificado por fricção que as primeiras máquinas de fricção eletrostática exploraram o atrito de globos de vidro. Como exemplo, podemos citar a seguinte passagem do abade Nollet, um dos mais importantes físicos franceses do século XVIII e autor do clássico Essai sur l'électricité des corps (Ensaio sobre a eletricidade dos corpos), no qual se encontra a seguinte passagem:

Desde que reconhecemos que a eletricidade do vidro é mais forte do que a de qualquer outro corpo, usamos apenas um tubo ou uma esfera desse material para eletrificar. Foi Hauksbee, um físico inglês, quem colocou ambos em uso há cerca de quarenta anos.[...] (NOLLET, 1764, p.202)

Dentre os tantos tratados famosos na história da eletricidade, poderíamos citar as consagradas obras setecentista como as de Benjamin Franklin, Experiments and Observations on Electricity , Giovanni Battista Beccaria, Dell'elettricismo artificiale e naturale, ou mesmo oitocentistas como a de De la Rive, Traité d'électricité théorique et appliquée , que usaram o vidro como referência de bom isolante.

Embora tenhamos citado esses tratados famosos por sua representatividade na história da eletricidade, é possível encontrar referências em inúmeros textos do mesmo período em que o vidro é considerado um bom isolante e usado em experimentos. Sem a pretensão de ser exaustivo, podemos também mencionar alguns fatos importantes na história da eletricidade baseados no reconhecimento do vidro como um bom isolante: máquinas elétricas com discos de vidro, as primeiras garrafas de Leyden e tubos de vidro, eram meios comuns de eletrificar outros objetos. Um exemplo desse uso do vidro é a representação do famoso menino eletrizado de Gray (Fig. 1). Uma mão humana segura um tubo de vidro que é eletrizado para carregar um menino suspenso por fios de seda.

Exemplos como esse mostram que o uso do vidro como material 'elétrico' e isolante não só tem raízes históricas bem documentadas, mas, mais importante, que o vidro era percebido como um dos melhores materiais para ilustrar o fenômeno da eletrificação por fricção.

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Fig. 1. Experimento de Gray com o menino suspenso (J.G. Doppelmayr, Neu-endeckte Phaenomena von Bewundern-würdigen Würckungen der Natur , 1744)

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## O experimento nunca realizado

Um levantamento feito em livros de física no nível pré-universitário e universitário mostra que experimentos sobre a eletrificação do vidro são um importante pilar nos capítulos sobre eletrostática e na introdução elementar do conceito de carga elétrica. Esse levantamento foi feito em dois países, Brasil e Itália. No Brasil foi realizado tomando como base os livros de física presentes na biblioteca da faculdade de educação da Unicamp (acervo do Centro de Documentação em Ensino de Ciências) e da biblioteca da física do Instituto de Física Gleb Wataghin; foram analisadas quinze coleções. No caso da Itália, foram analisados livros do acervo da biblioteca do Departamento de Física da Universidade de Turim; foram analisadas doze coleções. Os livros foram publicados entre 1991 e 2022.

A Fig. 2 mostra um exemplo típico da discussão gráfica dos efeitos em um eletroscópio de folha de ouro quando uma barra de vidro eletrificada positivamente, segurada por uma mão humana, é aproximada da esfera metálica superior deste eletroscópio. A imagem é de um livro didático de física italiano (MAZZOLDI, NIGRO &amp; VOCCI, 2022), mas poderia ser de quase qualquer outro livro utilizado na análise, que reflete os livros adotados na maioria dos cursos de física do ensino médio e em cursos introdutórios de física universitária.

Fig. 2. O processo de separação de carga mostrado através da aproximação de uma barra de vidro carregada positivamente a um eletroscópio de folha de ouro (MAZZOLDI, NIGRO &amp; VOCCI, 2022).

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Realizando a análise com materiais de países tão diversos quanto Itália e Brasil, nos permite inferir que a Fig. 2 poderia estar em qualquer livro de física do ensino básico ou universitário. Seja em um livro didático padrão do ensino médio, como o livro brasileiro (RAMALHO, NICOLAU &amp; TOLEDO, 2007) ou no livro italiano (AMALDI, 2007) ou mesmo no manual popular (HALLIDAY, RESNICK &amp; WALKER,

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2009), usado em muitos cursos de física ao redor do mundo. Em todos é possível encontrar imagens e sugestões semelhantes para experimentos envolvendo o atrito do vidro e a geração de uma carga elétrica positiva, por exemplo, 'esfregue um tubo de vidro e gere uma carga elétrica positiva' ou, por exemplo, 'esfregue um tubo de vidro e aproxime-o de um eletroscópio ou de outra barra pendurada por um fio isolado'.

Sugestões experimentais como as acima são baseadas na suposição de que o vidro é um bom isolante. Portanto, a) as cargas elétricas positivas permanecem localizadas na área do tubo de vidro onde o atrito ocorreu, mesmo se o tubo for segurado na mão sem luvas isolantes; b) quando o tubo de vidro é aproximado de outro objeto neutro, ocorre separação de carga (se o objeto for um condutor) ou polarização (se for um isolante); e c) ocorre uma interação Coulombiana entre as cargas no tubo e o objeto. Tudo bastante claro, certo?

No entanto, se o experimento acima for realizado em um laboratório escolar, há uma boa chance de que ele não funcione como descrito nos livros didáticos! Como foi enfatizado anteriormente, é realmente difícil eletrificar muitos tipos de vidro moderno usando o procedimento acima. Por exemplo, se segurarmos um copo de vidro na mão e o esfregarmos com nosso cabelo ou um pano de algodão e depois movemos esse copo esfregado para pedaços de papel sobre a mesa, não é observada a atração. Mesmo se houver atração, geralmente é de baixa intensidade e não facilmente perceptível como nos aponta Assis (2018), que é um dos raros autores que menciona esse fato . 1 Isso sugere que esse experimento escolar é apenas contado e nunca realmente realizado.

## Um eletroscópio de baixo custo

Com o intuito de esclarecer esse aparente descompasso entre os livros-texto modernos e as fontes históricas devemos estudar o comportamento do vidro. Para esse fim podemos usar um eletroscópio didático construído com materiais de baixo custo que podemos encontrar em (GASPAR, 2003; ASSIS, 2010; ASSIS, 2018). Esse eletroscópio consiste essencialmente em três elementos principais: uma peça retangular de papel, uma tira de papel e um tubo de plástico. Sua estrutura é mostrada na Fig. 3. A parte retangular é a base do eletroscópio (α), que deve ser feita de papel resistente, como cartolina. A tira de papel (β) é a parte móvel do eletroscópio; seu movimento indica a presença de carga, portanto, deve ser feita de papel fino, como o papel de seda. Finalmente, o cabo, que é o material isolante, deve ser feito de um tubo de plástico, como um canudo plástico de refrigerante. Para fixar β em α, podemos usar uma gota de cola branca, e para fixar α em δ, usamos uma fita adesiva transparente, como as encontradas em materiais escolares.

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Fig. 3a. Elementos do eletroscópio: (α) papel retangular, (β) tira de papel, (γ) fita adesiva, (δ) canudo de plástico. Fig. 3b. Ilustração do processo de carga de um eletroscópio

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O procedimento para eletrificar esse eletroscópio, que indica com muita precisão a presença de cargas apesar do uso de materiais baratos, é mostrado na Fig. 4, onde representamos o processo de carga com cargas negativas. Eletrizamos um canudo plástico independente esfregando-o com um pano de seda, um pano de algodão ou uma folha de papel. Uma vez que o canudo está carregado, o deslizamos sobre um ponto em α, provocando o movimento indicado pelo vetor na Fig. 4. As cargas que se acumularam no canudo plástico durante o movimento de deslizamento são transferidas para α e se espalham por toda a superfície. Algumas dessas cargas se movem para β, que é repelido por α, uma vez que ambos têm cargas de mesmo sinal.

Com esse dispositivo carregado, podemos desenvolver um critério para caracterizar o comportamento de condutores e isolantes. Quando tocamos o eletroscópio carregado com o corpo a ser caracterizado, dois resultados são possíveis: o eletroscópio se descarrega, o que significa que β retorna à sua posição original perto de α, ou o eletroscópio permanece carregado sem nada acontecer e β permanece afastado de α. Se o corpo em questão descarrega o eletroscópio, dizemos que ele se comporta como um condutor. Se o oposto ocorrer, dizemos que ele se comporta como um isolante.

## Os testes

Para demonstrar esse efeito anômalo, realizamos uma série de experimentos para observar o comportamento condutor do vidro. Esses experimentos foram categorizados em dois grupos: (I) a descarga de um eletroscópio e (II) a eletrificação por fricção.

No primeiro experimento I, carregamos um eletroscópio semelhante ao descrito na seção anterior, utilizando como fonte de cargas um tubo de PVC esfregado com seda ou papel. Após carregar o eletroscópio, tocamos nele com vários materiais, incluindo a mão, metais comuns (alumínio, ferro, cobre, etc.), espetos de madeira, cortiça, objetos plásticos, acrílico, borracha e vários objetos de vidro. Os objetos de vidro incluíam utensílios comuns (pratos, copos, canudos, etc.), vidro de laboratório e uma haste de um kit educativo antigo da primeira metade do século XIX. Os resultados foram os seguintes: todos os metais e a mão humana

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causaram a descarga instantânea do eletroscópio. Espetos de madeira e cortiça também descarregaram o eletroscópio, embora mais lentamente do que os metais e a mão. Por outro lado, plástico, acrílico e borracha não descarregaram o eletroscópio 2 , um resultado consistente com o entendimento histórico da eletricidade. Quanto aos objetos de vidro, os resultados foram complexos: alguns se comportaram de forma semelhante aos espetos de madeira e cortiça (um pouco mais lentamente), alguns descarregaram tão rapidamente quanto os metais, e a haste antiga e um canudo de vidro 3 não descarregaram o eletroscópio.

No segundo experimento II, que envolveu a fricção de materiais, os metais, a cortiça, os espetos de madeira e a mão humana não se tornaram carregados. Em contraste, objetos plásticos, acrílico e borracha se eletrizaram. O teste de eletrificação foi conduzido atraindo pequenos pedaços de papel ou carregando o eletroscópio. Entre os objetos de vidro, a maioria não se eletrificou, mas alguns, como certos copos ou vidros de laboratório, se eletrizaram levemente, o suficiente para mover ligeiramente pequenos pedaços de papel. A haste antiga e o canudo, no entanto, adquiriram eletrificação semelhante à de um tubo de PVC.

Como devemos interpretar esses experimentos? Em todos os dois casos, os objetos que classificamos como condutores (os metais), aqueles que foram classificados de forma semelhante devido ao seu comportamento sob tensão eletrostática (cortiça, madeira, pele humana, etc.) e os isolantes (plástico, acrílico, borracha, etc.) conformam-se à classificação tradicional, particularmente alinhando-se com os resultados históricos. Por exemplo, em I, os condutores (ou materiais não elétricos) descarregaram o eletroscópio, enquanto os isolantes (ou materiais elétricos) não o fizeram. O mesmo se aplica a II, onde os condutores não adquiriram cargas elétricas através da fricção, enquanto o oposto ocorreu com os isolantes.

O grupo de objetos de vidro, por sua vez, se apresenta de modo complexo e na maioria dos casos se desvia dos resultados históricos. Objetos de vidro modernos não se comportam como seus equivalentes históricos. No experimento I, por exemplo, apenas a haste de vidro do século XIX e o canudo não descarregaram o eletroscópio, enquanto alguns objetos de vidro o descarregaram lentamente e outros descarregaram rapidamente. Esse comportamento anômalo também foi observado no segundo experimento. Somente a haste do século XIX e o canudo adquiriram cargas elétricas através da fricção, como observado em experimentos de séculos anteriores, enquanto objetos de vidro modernos comuns não conseguiram atrair pequenos pedaços de papel, mesmo após fricção prolongada com várias substâncias. Tudo isso indica que a maior parte dos vidros modernos não se comportam como o vidro antigo e exibe um comportamento mais condutivo do que isolante, sob tensão eletrostática. Ou seja, mesmo ideias cristalizadas e apresentadas como simples nos livros-texto podem apresentar surpresas com impactos importantes para o ensino de física.

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## Conclusões

Neste trabalho, destacamos o comportamento anômalo do vidro moderno em comparação com a classificação antiga padronizada nos livros didáticos, especialmente nos brasileiros e italianos. Diferente do vidro discutido aqui a partir de fontes históricas, a maioria dos vidros modernos se comporta como condutor. Essa observação sugere que ocorreram mudanças no processo de produção do vidro desde o século XIX. Embora a natureza exata dessas mudanças não seja clara, podemos propor duas hipóteses gerais:a composição do vidro pode ter mudado (por exemplo, a adição de novos ingredientes que aumentam sua condutividade); o processo de fabricação pode tornar as superfícies do vidro moderno mais suscetíveis à umidade, levando a uma combinação de vidro e água que atua como uma substância condutora.

Embora ainda não compreendamos totalmente as mudanças no processo de produção do vidro, o comportamento anômalo de grande parte dos vidros modernos, em oposição às definições dos livros didáticos, é evidente. Este é o ponto principal que buscamos abordar nesta discussão, o que enseja diretamente uma discussão sobre o papel e os limites dos livros didáticos e fornece um exemplo de como a história da ciência pode atuar na problematização de pontos já cristalizados no âmbito do ensino de ciências. Esperamos que esta discussão seja útil para melhorar a construção dos livros didáticos, enriquecer o ferramental didático dos professores e fomentar uma melhor compreensão dos estudantes sobre os conceitos fundamentais da eletricidade.

## Referências

AMALDI, Ugo. Fisica per i licei scientifici . Vol. 2. 2. ed. Bologna: Zanichelli, 2007. ASSIS, A.K.T. Os Fundamentos Experimentais e Históricos da Eletricidade . Montreal: Apeiron, p. 274, 2010.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_ The Experimental and Historical Foundations of Electricity . Vol. 2.

Montreal, Apeiron, 2018.

GASPAR, A. Experiências de Ciências para o Ensino Fundamental. Ática, São Paulo, 2003.

GILBERT, W. De Magnete . Londres: Peter Short, 1600.

GREY, S. Experiments concerning Electricity. Philosophical Transactions , vol. 37,1731.

HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física , volume 3: eletromagnetismo. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009

HAUKSBEE, F. An Account of an Experiment Touching the Production of Light by the Electrical Attraction and Repulsion of Water. Philosophical Transactions , vol. 25, 1706.

NOLLET, J. Essai sur l'électricité des corps .Paris: Hippolyte-Louis Guérin, 1746. MAZZOLDI, A. G.; NIGRO, D. M.; VOCCI, A. S. Fisica . 5. ed. Milano: Zanichelli, 2022.

RAMALHO, F.; NICOLAU, G. F.; TOLEDO, P. A. Os Fundamentos da Física . 9ª edição, Vol. 3. São Paulo, Editora Moderna, 2007.

RINALDO, M.; LEONE, M. History of physics as a heuristic device to anticipate students' ideas: the case of electrostatics . Physics Education

,v 59(1), 015019,jan. 2024. DOI: 0.1088/1361-6552/ad08cd

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