ENSINO DE ELETROMAGNETISMO ATRAVÉS DA BOBINA DE TESLA: UMA ABORDAGEM ATRAVÉS DO MÉTODO PEER INSTRUCTION

## ENSINO DE ELETROMAGNETISMO ATRAVÉS DA BOBINA DE TESLA: UMA ABORDAGEM ATRAVÉS DO MÉTODO PEER INSTRUCTION

## André Felipe Gagliari Santos 1 , João Antônio de Farias Tosta 2 , Diego Novaes Soares 3 , Luiz Otavio Buffon 4 , Cleiton Kenup Piumbini 5

- 1 Instituto Federal do Espírito Santo - Campus Cariacica, gagliari.afs@gmail.com
- 2 Instituto Federal do Espírito Santo - Campus Cariacica, joaoantoniotoad317@gmail.com
- 3 Secretaria de Estado da Educação do Espírito Santo, diego.nsoares@educador.edu.es.gov.br
- 4 Instituto Federal do Espírito Santo / Campus Cariacica - Coordenadoria de Física - Núcleo de Estruturação do Ensino de Física NEEF, buffon@ifes.edu.br
- 5 Instituto Federal do Espírito Santo / Campus Cariacica - Coordenadoria de Física - Núcleo de Estruturação do Ensino de Física NEEF, cleiton.kenup@ifes.edu.br

## Resumo

Neste estudo de caso, uma Bobina de Tesla, construída com materiais de baixo custo, foi utilizada como ferramenta pedagógica combinada com a metodologia ativa Peer Instruction. As atividades planejadas foram aplicadas em duas turmas da terceira série do ensino médio de uma escola pública. A análise dos resultados mostrou que o uso deste experimento permitiu boa visualização dos fenômenos por parte dos alunos e despertou a curiosidade deles durante as discussões. Além disso, a realização da atividade experimental da Bobina de Tesla em conjunto com a aplicação da metodologia ativa Peer Instruction propiciou um ambiente interativo com a participação dos alunos, favorecendo a aprendizagem dos mesmos em relação aos conteúdos de Eletromagnetismo. Desta forma, os resultados sugerem que a combinação de experimentos com a metodologia ativa utilizada, pode contribuir para uma maior compreensão dos conceitos, apontando para a viabilidade dessa abordagem no ensino de Física.

Palavras-chave : Ensino de Eletromagnetismo, Bobina de Tesla, Peer Instruction.

## Introdução

Com o avanço das tecnologias e a quantidade crescente de estímulos aos quais os alunos estão expostos, o professor dentro de sala de aula enfrenta uma competição constante pela atenção deles, especialmente no ensino de Física, no qual os conceitos trabalhados em sala de aula muitas vezes destoam da realidade cotidiana do aluno (Clement, 2002). Nesse cenário, a contextualização descrita na Lei de Diretrizes e Bases da Educação - LDB (Lei Federal nº 9394/1996) torna-se uma ferramenta essencial no processo de aprendizagem (Brasil, 1996), pois possibilita a transposição do conhecimento para além da sala de aula. Ao conectar os conteúdos com situações reais e relevantes para a vida dos alunos, o professor facilita a compreensão e a aplicação prática dos conceitos, promovendo um aprendizado mais significativo e engajador.

Assim, o uso de experimentos práticos se apresenta como uma alternativa eficaz para o ensino. A Bobina de Tesla, por exemplo, não só chama a atenção dos alunos por seu impacto visual, mas também permite demonstrar vários conceitos de eletromagnetismo de forma prática e envolvente, o que facilita a compreensão.

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Conforme discutido por Laburú e Arruda (2004), embora a explicação dos fenômenos da bobina esteja fundamentada principalmente em conceitos de eletrodinâmica, é possível também abordar conceitos de eletrostática através de analogias.

Além do componente prático, a metodologia de ensino adotada é crucial para o sucesso da aprendizagem. O método Peer Instruction, desenvolvido por Eric Mazur (1997) se apresenta como uma abordagem eficaz para promover a compreensão conceitual e o engajamento dos alunos (Araujo; Mazur, 2013). Esta metodologia baseia-se na interação entre os pares, onde os estudantes discutem e resolvem problemas conceituais juntos, facilitando a construção colaborativa do conhecimento.

Em relação aos documentos oficiais atuais, a Base Nacional Comum Curricular (BNCC), homologada em 2017, estabelece que conceitos relacionados ao funcionamento de geradores, bobinas, transformadores e dispositivos eletrônicos sejam discutidos em sala de aula. Isso está especificado na habilidade EM13CNT107, que faz parte da competência específica 1 da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias. Essa habilidade propõe a realização de previsões qualitativas e quantitativas sobre esses componentes, com base na análise dos processos de transformação e condução de energia, com o objetivo de promover a sustentabilidade (Brasil, 2018). Além disso, a competência específica 3, através da habilidade EM13CNT308, sugere a investigação e análise de equipamentos elétricos e eletrônicos e sistemas de automação para compreender as tecnologias contemporâneas e avaliar seus impactos sociais, culturais e ambientais (Brasil, 2018).

## Materiais e Métodos

Serão especificados abaixo os procedimentos utilizados para aplicar a metodologia Peer Instruction no ensino de eletromagnetismo, bem como os materiais e processos envolvidos na construção da Bobina de Tesla, que foi utilizada como ferramenta pedagógica durante as sessões de aprendizado. A combinação dessas duas abordagens visou proporcionar uma experiência de ensino mais interativa e engajadora, utilizando conceitos de aprendizagem ativa e experimentação prática.

## Peer Instruction

Eric Mazur, físico neerlandês, foi o responsável pelo desenvolvimento do método conhecido como Peer Instruction (em português, instrução pelos colegas), que propõe uma forma de ensino que difere da abordagem tradicional e envolve os alunos de maneira mais ativa no processo de ensino-aprendizagem. Em sua obra de 1997, Mazur descreve essa metodologia como um estilo de ensino interativo que auxilia na compreensão da Física, engajando ativamente os alunos e podendo ser facilmente adaptado a diferentes estilos de aula. Ele afirma que essa abordagem não só torna a Física mais acessível para os alunos, mas também facilita o ensino para os professores (Mazur, 1997). Desta forma, a instrução por pares tem grande potencial de contribuir na retomada de conhecimentos já vistos pelos alunos e na interação direta com eles.

Conforme a Figura 1 destaca, o processo começa com o professor selecionando um conjunto de perguntas conceituais objetivas relacionadas ao tema a ser estudado. Essas perguntas são cuidadosamente escolhidas para abordar os principais conceitos que os alunos precisam compreender. Em seguida, o professor apresenta uma breve explicação inicial para fornecer o contexto necessário e preparar

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os alunos para responderem às questões. Após essa introdução, cada aluno responde individualmente à primeira pergunta.

O registro das respostas de todos os alunos é denominado de "Primeira Votação" e deve ser feito sem que eles saibam as respostas dos colegas. O sistema de apuração das respostas deve ser rápido e fornecer o percentual de acertos para o professor sem indicar a resposta correta para os alunos. A partir dessa votação, é possível analisar a porcentagem de acertos, tal que se a porcentagem de acertos estiver alta (geralmente acima de 70%), isso indica que a maioria dos alunos já possui um entendimento satisfatório do conceito em questão, e o professor pode discutir a resposta correta e passar para a próxima pergunta.

No entanto, se a porcentagem de acertos estiver abaixo desse percentual (mas acima dos 30%), isso sugere que há lacunas no entendimento dos alunos. Nesse caso, o professor organiza os alunos em pequenos grupos para discutirem suas respostas e os conceitos envolvidos. Essa fase de discussão em grupo é fundamental, pois permite que os alunos expliquem seus raciocínios uns aos outros, o que frequentemente leva a uma compreensão mais profunda.

Após essa discussão, cada aluno responde novamente à mesma pergunta em uma nova votação individual. O objetivo dessa 'Segunda Votação' é avaliar se houve uma evolução na compreensão dos alunos após a discussão em grupo. Se a porcentagem de acertos aumentar significativamente (acima de 70%), isso indica que a troca de ideias entre os pares foi eficaz para esclarecer dúvidas e reforçar conceitos, e o professor segue para a outra etapa já discutida. No entanto se a porcentagem de acertos ainda estiver abaixo de 70%, o professor avalia se vale a pena reforçar algum conceito e promover nova discussão e votação ou já discutir a resposta correta e seguir para a etapa seguinte.

Contudo, caso após a 'Primeira Votação' a porcentagem estiver muito baixa (estabelecido na Figura 1 como abaixo de 30%), deve haver uma revisão por parte do professor do conteúdo abordado antes de reiniciar o processo.

Figura 01:

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Fonte:

Fluxograma do método Peer Instruction Adaptado de Lasry, Mazur e Watkins (2008).

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Esse processo de votação inicial, discussão em grupo e nova votação é repetido para cada uma das perguntas selecionadas pelo professor. O método permite que o aprendizado seja ativo e colaborativo, estimulando os alunos a refletirem criticamente sobre os conceitos e a aprenderem uns com os outros. Dessa forma, o professor não apenas avalia o entendimento dos alunos, mas também promove um ambiente de aprendizado dinâmico e participativo.

## Bobina de tesla

A construção de uma Bobina de Tesla foi escolhida devido à sua viabilidade de ser montada com baixo a médio custo, utilizando materiais reciclados ou reaproveitados, o que torna o projeto acessível e sustentável. A Figura 2 representa o resultado final da construção.

Figura 02: Resultado final da Bobina de Tesla

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Fonte: Os autores

## Materiais

Os materiais empregados na construção da Bobina de Tesla foram: uma tábua de madeira de 45cm x 35cm; um flyback de televisão de tubo; 12 capacitores de poliéster (2200V - 23 nF); um cano de PVC de 100mm com fio encapado de 4mm para a bobina primária; um cano de PVC de 50mm com fio 28 AWG para a bobina secundária; cano de PVC de 20mm e dois parafusos para o spark gap; um interruptor simples de 110-220V; um reator de lâmpada fluorescente de 15W; e uma tomada de 127V.

## Construção

O flyback é um transformador que possibilitou a conversão de uma tensão de entrada relativamente baixa 12V DC, em uma tensão de saída de aproximadamente 6kV AC.

O uso do reator de lâmpada fluorescente se justifica pela sua função de fornecer uma alimentação controlada e estável ao circuito. Ele garante a corrente e a

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tensão adequadas para o correto funcionamento do flyback e, consequentemente, do circuito da bobina de Tesla, permitindo uma operação mais eficiente e segura.

E, por fim, o banco de capacitores, que desempenha um papel crucial na formação do circuito ressonante da Bobina de Tesla, armazenando e liberando energia em pulsos rápidos para gerar altas tensões, trabalhando em conjunto com o spark gap, que é composto por dois eletrodos (parafusos) separados por um pequeno intervalo. Quando a tensão atinge um nível elevado o suficiente, o spark gap permite que a corrente elétrica atravesse o espaço, superando a resistência elétrica do ar. Esse mecanismo é responsável pelo disparo da carga armazenada nos capacitores, pela regulação da frequência de oscilação e pelo controle da alta tensão na bobina primária.

Neste processo, a bobina primária com seu circuito LC (indutor e capacitores), produz um campo magnético alternante devido à corrente oscilante, que por sua vez induz uma tensão na bobina secundária, posicionada bem ao centro da bobina primária. Foram utilizadas 10 voltas na bobina primária e 650 voltas na bobina secundária.

## Planejamento da Intervenção Didática

Essa proposta foi aplicada na escola estadual EEEFM Maria de Novaes Pinheiro, localizada no bairro de Vila Bethânia, em Viana - ES, para os alunos de duas turmas do 3° ano do Ensino Médio, com 24 alunos cada. A intervenção fez parte do subprojeto do PIBID (Programa Institucional de Bolsa de Iniciação à Docência), do Curso de Licenciatura em Física do Ifes - Campus Cariacica. A Tabela 1 destaca o plano de aula desta atividade realizada em uma aula de 50 minutos de duração, aplicada nas duas turmas no dia 21/11/2023.

Tabela 01: Plano de Aula

Fonte: Os autores

A etapa inicial (Exposição Dialogada) foi realizada apenas uma vez, diferentemente das etapas de Experimentação, Votação e Discussões, que foram realizadas mais vezes, de acordo com a evolução das turmas. Além disso, o tempo destinado à novas votações também compreende a preparação e organização da sala para realização da dinâmica.

Portanto, o tempo estimado aproximadamente foi 10 minutos para Exposição dialogada, 10 minutos para demonstração dos conceitos físicos através da Bobina de

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Tesla e 30 minutos para o processo do Peer Instruction, totalizando os 50 minutos de aula.

## Resultados e Discussões

A análise de dados foi feita baseando-se nas respostas dos alunos armazenadas na plataforma Plickers, que gera QR Codes para cada aluno responder as questões.

Na Figura 3 é demonstrado um dos experimentos apresentados aos alunos durante a intervenção.

Figura 03: Aplicação da intervenção Fonte: Os autores

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Durante a aplicação da intervenção foram utilizadas as questões apresentadas a seguir:

Questão 1: Durante uma tempestade, um raio atinge um ônibus que trafega por uma rodovia. Pode-se afirmar que os passageiros:

- a) Não sofrerão dano físico em decorrência desse fato, pois a carroceria metálica do ônibus atua como uma blindagem eletrostática, tornando o campo elétrico interno nulo.
- b) Serão atingidos pela descarga elétrica, em virtude de a carroceria metálica ser boa condutora de eletricidade.
- c) Serão parcialmente atingidos, pois a carga será homogeneamente distribuída na superfície interna do ônibus.
- d) Não sofrerão dano físico em decorrência desse fato, pois os pneus de borracha asseguram o isolamento elétrico do ônibus.

Questão 2: Um para-raios é uma haste de metal, geralmente de cobre ou alumínio, destinado a dar proteção às edificações, atraindo as descargas elétricas atmosféricas (os raios) e desviando-as para o solo através de cabos de pequena resistência elétrica. Assinale a seguir a alternativa correta que completa as lacunas da frase a seguir. "O funcionamento do pararaios é baseado na \_\_\_\_\_\_\_\_e no \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_.

- a) Indução magnética / efeito joule.

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- b) Blindagem eletrostática / poder das pontas.
- c) Indução eletrostática / efeito joule.
- d) Indução eletrostática / poder das pontas.

Questão 3: Por que ao aproximar uma lâmpada fluorescente de uma Bobina de Tesla, a mesma acende?

- a) A Bobina de Tesla, está ligada a lâmpada pelo ar, portanto, os raios saem da bobina e ligam a lâmpada.
- b) A lâmpada não acende por causa da bobina.
- c) A Bobina de Tesla gera um fluxo do campo magnético, e este induz uma corrente elétrica que passa pela lâmpada ao ser aproximada da bobina.
- d) A lâmpada possui um tipo de gás no seu interior que ao ser aproximada da bobina ele esquenta e faz a lâmpada acender.

As perguntas 1, 2 e 3 correspondem, respectivamente, às demonstrações dos fenômenos da gaiola de Faraday, do efeito corona e da indução eletromagnética. Os resultados da Turma 01, mostrados no Quadro 1, apresentam um aumento expressivo na porcentagem de acertos entre a primeira e a segunda votação para as questões 1 e 2. Isso pode ser atribuído a fatores tais como maior engajamento e discussões entre os alunos.

Quadro 01: Resultados para as Tuma 1 e 2

Fonte: Os autores

Já a Turma 2 apresentou um aumento moderado na Questão 2 e teve altos percentuais de acertos nas Questões 1 e 3 na primeira votação. Isso pode sugerir que os alunos da Turma 2 tinham uma base de conhecimento prévio mais sólida ou que o experimento foi mais eficiente em demonstrar os conceitos abordados nessas questões.

No geral, foi possível perceber o interesse dos alunos pela realização dos experimentos e o aumento na porcentagem de acertos após a discussão entre os pares, o que sugere que a metodologia ativa e a abordagem prática contribuíram para uma melhor compreensão dos conceitos.

## Conclusões

A Bobina de Tesla revelou-se uma ferramenta didática eficaz ao ser integrada à metodologia Peer Instruction, proporcionando uma visualização concreta dos conceitos de eletromagnetismo. Esta combinação metodológica apresentou indícios de que pode ter facilitado tanto a compreensão quanto a retenção dos conceitos pelos alunos. A repetição do experimento durante as discussões ofereceu uma oportunidade valiosa para revisar e corrigir interpretações incorretas, evidenciando a eficácia dessa estratégia para reforçar o aprendizado.

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Os resultados deste estudo de caso sugerem uma melhoria na compreensão dos conceitos de eletromagnetismo quando se combinam metodologias ativas, como o Peer Instruction com experimentos práticos, como o da Bobina de Tesla. Além disso, as diferenças nos ganhos de compreensão entre as turmas indicam que fatores adicionais, como o nível de preparação inicial dos alunos, podem influenciar os resultados. Este estudo sublinha a importância de integrar metodologias ativas com experimentos visuais para ensinar conceitos complexos na Física de maneira mais eficaz.

## Referências

ARAUJO, I. S.; MAZUR, E. Instrução pelos colegas e ensino sob medida: uma proposta para o engajamento dos alunos no processo de ensino aprendizagem de Física. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 30, n. 2, p. 362 - 384, 2013.

BRASIL. Lei nº 9.394, de 20 de dezembro de 1996. Estabelece as Diretrizes e Bases da Educação Nacional. Brasília: Ministério da Educação , 1996.

BRASIL. Ministério da Educação. Base Nacional Comum Curricular . Brasília, 2018.

CLEMENT, Luiz et al. Considerações sobre a prática docente no desenvolvimento de atividades didáticas de resolução de problemas em aulas de física. In: IX EPEF , 2002.

LABURÚ, C. E.; ARRUDA, S. de M. A construção de uma bobina de tesla para uso em demonstrações na sala de aula. Caderno Brasileiro De Ensino De Físic a , v. 21 , p. 217-226, 2004.

LASRY, N.; MAZUR, E.; WATKINS, J. Peer instruction: from Harvard to the twoyear college . American Journal of Physics , v. 76, n. 11, p. 1066-1069, 2008.

MAZUR, E.; SOMERS, M. D. Peer instruction: A user's manual . Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 1997. 253 p.

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