OS CONCEITOS DO ELETROMAGNETISMO ENVOLVIDOS NOS DESFIBRILADORES E NOS RAIOS

## OS CONCEITOS DO ELETROMAGNETISMO ENVOLVIDOS NOS DESFIBRILADORES E NOS RAIOS

Camila Nunes da Silva 1 , Geovana Borges Damaceno 2 , Lucas Bernardes Borges 3 , Rogério Ferreira da Costa 4 , Weslei Silva de Araújo 5 , Abdalla Antonios Kayed Elias 6 , Marilia Mari Souza de Oliveira 7

1 Instituto Federal de Goiás Câmpus Goiânia - e-mail: camilanunes2902@gmail.com 2 Instituto Federal de Goiás Câmpus Goiânia - e-mail: gbdamaceno@hotmail.com 3 Instituto Federal de Goiás Câmpus Goiânia - e-mail: lucas.borges@ifg.edu.br 4 Instituto Federal de Goiás Câmpus Goiânia - e-mail: rogerio.costa@ifg.edu.br 5 Instituto Federal de Goiás Câmpus Goiânia - e-mail: weslei.araujo@ifg.edu.br 6 Instituto Federal de Goiás Câmpus Goiânia - e-mail: abdalla.elias@ifg.edu.br 7 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás - e-mail:

maryllyamarydesousa@gmail.com

## Resumo

A física é muito conhecida entre alunos e professores não pela sua importância, mas por ser considerada de difícil compreensão e por seu alto índice de reprovação. Seu ensino tem sido realizado, predominantemente, por meio do método tradicional, com a exposição das leis fundamentais e suas aplicações, na maioria das vezes, associada à resolução de um número elevado de exercícios. O presente projeto de pesquisa é justificado pela importância do desenvolvimento de um material didático para auxiliar os alunos do ensino médio na aprendizagem dos conteúdos do Eletromagnetismo, visto que a abstração deste conteúdo específico pode se tornar um obstáculo para uma compreensão efetiva. Assim, por meio de uma revisão bibliográfica, estes conceitos foram aplicados em dois exemplos práticos: o funcionamento do desfibrilador e seu impacto no corpo humano, e a eletricidade atmosférica, explicando a origem e dinâmica dos raios, sendo explicados utilizando os conceitos corrente elétrica, campo elétrico, campo magnético, ondas eletromagnéticas, dentre outros, que fazem parte do eletromagnetismo, constatando que a física está profundamente relacionada a fenômenos cotidianos. Neste sentido, ao propor explicar situações vivenciadas pelos alunos em seus cotidianos a partir dos conceitos da física tem o potencial de ser uma alternativa metodológica a ser utilizada pelo professor em suas aulas. Portanto, conclui-se que a proposta de material didático apresentada neste trabalho pode tornar o aprendizado dos discentes mais efetivo no que se refere aos conceitos do eletromagnetismo para o ensino médio.

Palavras-chave: Desfibriladores, Raios, Conceitos Físicos.

## 1. INTRODUÇÃO

A física é muito conhecida entre alunos e professores não pela sua importância, mas por ser considerada de difícil compreensão e por seu alto índice de reprovação. Seu ensino tem sido realizado, predominantemente, por meio do método tradicional, com a exposição das leis fundamentais e suas aplicações, na maioria das vezes, associada à resolução de um número elevado de exercícios.

Rosa e Rosa (2004) destacam que é comum a opinião entre alunos e professores que a física é considerada matéria de difícil compreensão e que muitas vezes é a disciplina que os alunos menos gostam de estudar. Uma evidência que atesta este fato é o excessivo número de alunos reprovados no final do ano letivo. Essa situação tem sido tema de discussões em vários eventos nacionais e internacionais.

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Fiolhais e Trindade (2003) assinalaram que no ensino da física são apresentados conceitos contra intuitivos, tornando a disciplina de difícil compreensão, o que faz com que muitos alunos não consigam fazer a ligação da física com o cotidiano. Os autores apontaram também métodos de ensino que não consideram as teorias de aprendizagem mais recentes e ausência de meios pedagógicos modernos.

Segundo Rosa (2003) os professores têm desenvolvido suas ações pedagógicas por meio da apresentação de conceitos, leis e fórmulas de modo desarticulado com a realidade do aluno. Rosa e Rosa (2005) identificaram como motivo o fato de que muitos professores tiveram suas formações influenciadas pela visão conteudista, visto que historicamente o ensino de física sempre foi baseado na metodologia tradicional. Esta metodologia causa, na maioria das vezes, o desinteresse e o distanciamento dos alunos em relação à disciplina, e em muitos casos o não alcance dos objetivos propostos.

Moreira (2021) defende que os alunos devem compreender os conceitos que envolvem a física e não somente as fórmulas. Sales, Oliveira e Pontes (2010) defendem aproximar o conhecimento prévio com o conhecimento científico dos alunos no intuito de sentirem a necessidade de obter mais informações, estimulando a autonomia do discente na solução de problemas pertencentes à sua realidade.

Santos et al. (2006) salientam que o aluno tem dificuldades de associar os conteúdos da física com o mundo real, o que dificulta também seu interesse pelo aprendizado da disciplina. Neste sentido, o professor tem a importante tarefa de auxiliar o aluno a fazer estas conexões para facilitar o seu aprendizado.

Rosa e Rosa (2004) constataram que dentre os fatores responsáveis pelo baixo índice no desempenho dos alunos e pelo fato deles não gostarem de estudar física destaca-se as dificuldades metodológicas e didáticas do professor, e a sua concepção sobre o processo de ensino e aprendizagem. Os autores defendem que alternativas metodológicas devem ser consideradas para que a física faça parte da formação social e cultural dos indivíduos.

Estudos têm atribuído um papel importante das metodologias alternativas que tratam dos aspectos históricos e epistemológicos da ciência, e a interdisciplinaridade na alfabetização em ciência e tecnologia (AngottI, 1991; Auth, 2001; Santos, Mortimer, 2002). Eles indicam a necessidade de explorar os conhecimentos sob um caráter mais amplo, tendo uma reflexão crítica (AngottI, 1991; Auth, 2001). De acordo com Santos e Mortimer (2002), alfabetizar os cidadãos em ciência e tecnologia é hoje uma necessidade do mundo contemporâneo, dessa forma é possível disponibilizar as representações que permitam a pessoa ouvir, refletir, compreender e agir diante dos desafios tecnológicos e sociais impostos a ela. Essa tem sido a principal proposição dos currículos com ênfase em Ciência, Tecnologia e Sociedade (CTS).

Assim amparado na metodologia CTS que promove a articulação dos conhecimentos científicos e tecnológicos com o contexto social possibilitando ao cidadão a compreensão e a avaliação das consequências socioambientais desse desenvolvimento, este trabalho teve como objetivo relacionar alguns dos conceitos do eletromagnetismo com situações da realidade, de forma que a física seja aplicada e explicada por meio de exemplos reais. Assim, buscou-se aproximar a ciência e a tecnologia aos alunos do ensino médio através do desenvolvimento de dois temas principais: Medicina & Física, utilizando o desfibrilador como uma forma de se entender concepções da eletricidade e eletricidade atmosférica.

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## 2. METODOLOGIA

Essa pesquisa é classificada quanto aos procedimentos como bibliográfica e foi desenvolvida com base em material já elaborado, constituído principalmente de livros, artigos científicos e manuais. A sua principal vantagem é que permiti ao investigador a cobertura de uma gama de fenômenos muito mais ampla do que aquela que poderia pesquisar diretamente (Gil, 2002; Kerlinger, 1980). As atividades deste trabalho foram iniciadas em 2023, no Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Goiás (IFG), a partir da pesquisa e leitura de artigos científicos e livros obtidos pelo Google acadêmico e Google Scholar sobre quais os conhecimentos seriam necessários para a melhor compressão do fenômeno natural de descargas elétricas entre as nuvens e o solo (raios) e do funcionamento do desfibrilador que é utilizado para restabelecer o ritmo cardíaco do paciente, no caso de uma parada cardiorrespiratória, através de uma carga elétrica no coração que está sofrendo arritmia.

## 3. CONCEITOS DO ELETROMAGNETISMO

## ● Medicina & Física

Ao iniciar a discussão sobre choque elétrico, um dos primeiros pensamentos que podem surgir na mente é a sensação de susto ou até mesmo de dor causado pela passagem de corrente elétrica. Quando as crianças estão crescendo, é comum os pais sempre as avisarem sobre o perigo de colocar um objeto de metal na tomada, ou até mesmo de encostar em um material eletrizado estando descalço.

No entanto, você sabia que o choque elétrico também possui a capacidade de salvar vidas? De fazer um coração, que antes havia parado de bater, a voltar ao seu movimento normal? Este será o assunto abordado neste tópico, como o choque elétrico e outras propriedades da física estão relacionadas ao corpo humano e a capacidade de salvar vidas.

O choque é um conceito que pode ser entendido como um fluxo ordenado de cargas negativas que se deslocam de um ponto ao outro em corpos condutores de eletricidade (MÁXIMO, 2006). Os corpos condutores de eletricidade são constituídos por átomos, que possuem partículas eletrizadas, também chamadas de cargas, e podem ser classificadas como positivas (prótons) e negativas (elétrons), em que cargas de mesmo sinal se afastam e as de sinais contrários se atraem. Deste modo, quando um objeto conduz eletricidade, significa que ele é formado pela reunião de vários átomos que possuem elétrons que não se ligam nas órbitas mais externas, ficando livres para se movimentar em tal objeto (elétrons livres) (MÁXIMO, 2006).

Logo, a carga elétrica negativa pode ser transportada pelo corpo - por isso o nome condutor de eletricidade -, formando um movimento ordenado de elétrons que se deslocam de um lugar ao outro. Sendo essa corrente elétrica a causadora do choque elétrico.

Por volta dos anos 1900, o choque foi utilizado pelos engenheiros eletricistas da Universidade de Johns Hopkins como um meio de sacrificar cães de rua. Eles utilizavam de choques elétricos em corrente alternada com esta finalidade, todavia, perceberam que um segundo choque fazia com que os cães voltassem à vida. Após isso, as descobertas foram inúmeras. Em 1947, Claude Beck, utilizando duas colheres com cabo de madeira como pás, trouxe um garoto de 14 anos, cujo coração havia parado de bater durante uma cirurgia, de volta à vida por meio da aplicação do

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choque com corrente alternada. Já em 1956, um cardiologista americano, Paul Zoll, contribuiu com sua teoria sobre a desfibrilação externa para a criação do que hoje é o DEA (Desfibrilador Externo Automático). Segundo ele, a aplicação direta de um choque elétrico acima de 750 volts no peito de um indivíduo era suficiente para restaurar o ritmo normal do coração (desfibrilar) (Sindmedms, 2022, p. 1).

Deste modo, este aparelho que utiliza do choque elétrico, conhecido atualmente como desfibrilador, é um dispositivo destinado a tratar o ritmo cardíaco anormal grave por meio de diferença de potencial (ou tensão) que facilita a inserção de energia (corrente elétrica) focalizada (Muraro, 2017). Para isso, um par de eletrodos, juntamente com um gel eletricamente condutor, facilita essa passagem da corrente (Cmos drake, 2018, p. 30). De acordo com a INBRAE (2022, p. 1), 'a tensão elétrica é a força elétrica que provoca a circulação de corrente, que faz as cargas elétricas entrarem em movimento', assim, como há essa força entre dois pontos, existe uma diferença de cargas, que se denomina como potencial elétrico ou tensão elétrica.

Além disso, o gel condutor utilizado com o desfibrilador também reduz a resistividade natural dos tecidos do corpo e previne queimaduras elétricas. Pode-se entender a resistividade como uma propriedade física que define quanto um material resiste à corrente elétrica, dessa maneira, quanto menor a resistividade do corpo humano, menor a oposição ao fluxo de corrente elétrica.

Portanto, essa descarga elétrica do desfibrilador faz com que o coração contraia e despolarize, de forma uniforme, as células cardíacas que, por sua vez, retomam os estímulos de forma ordenada, como se reiniciasse o músculo cardíaco, revolucionando a ciência e salvando vidas (Muraro, 2017).

## ● Eletricidade atmosférica

Os seres humanos sempre tiveram uma relação de fascínio e misticidade com a eletricidade atmosférica, que se comprova pela incorporação desses fenômenos à mitologia antiga, atribuindo muitas dessas manifestações elétricas à divindades ou eventos. Zeus, o deus grego que atirava raios nos humanos, é um exemplo de tal acontecimento, bem como Thor, que os escandinavos acreditavam dominar o trovão (Pereira, 2010).

Pereira (2010), na sua dissertação de mestrado, infere que um tratamento mais científico em referência ao assunto se iniciou apenas com a intervenção de Benjamin Franklin a partir de 1770, estabelecendo o processo que possibilita a produção de cargas elétricas na atmosfera se deve à eletricidade estática - quando têm-se o excesso de cargas em repouso em um objeto - produzida pelos componentes presentes nas nuvens de tempestade que se formam (Pereira, 2010).

Os raios se formam quando há o acúmulo de cargas elétricas (partículas eletrizadas), estas que podem ser positivas ou negativas. Deste modo, o raio seria uma forma de desfazer a tensão, que é a força elétrica que provoca a circulação de corrente, fazendo as cargas elétricas entrarem em movimento por meio da transmissão da eletricidade.

Como consequência desse fenômeno atmosférico - o raio - são gerados o relâmpago e o trovão, que sendo muitas das vezes confundidos entre si, possuem dinâmicas diferentes. De acordo com João Ortiz (2015, p 8), 'o raio, então, seria uma

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descarga entre a nuvem e o solo. O relâmpago [...] a luz resultante desses movimentos das cargas na atmosfera, enquanto o trovão é definido como sendo o estrondo decorrente da descarga.'

Saba (2001), em A Física das Tempestades e dos Raios, descreve a eletrificação das nuvens como uma consequência da colisão entre partículas de gelo, água e granizo no interior da nuvem. Pelo granizo ser mais denso, quando este colide com cristais de gelos, que são menos densos, este fica carregado negativamente, enquanto os cristais de gelo ficam eletrizados positivamente, explicando o fato de muitas nuvens de tempestade possuírem uma concentração de cargas negativas na parte inferior e de cargas positivas na parte superior.

Deste modo, ao discutir sobre os processos de eletrização, um conceito que surge é o de eletrização por indução que, de acordo com Hewitt (2002), aparece durante as tempestades com relâmpagos. A eletrização por indução ocorre quando um corpo eletrizado é aproximado de um condutor, inicialmente neutro, e induz neste uma distribuição de cargas. No caso da nuvem, a sua região inferior, que inicialmente está negativa, induz uma concentração de cargas positivas na superfície da Terra. Portanto, ao ter isto entre nuvens, surge um campo elétrico entre elas que, se for capaz de romper a rigidez dielétrica, vai possibilitar uma descarga elétrica entre elas (ORTIZ, 2015).

Neste exemplo, aparecem dois conceitos interessantes da física: campo elétrico e rigidez dielétrica. O campo elétrico é uma grandeza vetorial, e uma região influenciada por cargas elétricas, enquanto a Rigidez dielétrica é a intensidade máxima que um dielétrico é capaz de suportar sem tornar-se condutor. Dielétricos são meios ou materiais que possuem características isolantes, ou seja, que dificultam a passagem da corrente elétrica.

Logo, como ocorre entre nuvens, o campo elétrico que surge entre a nuvem e o solo também pode romper a rigidez dielétrica do ar, fazendo com que haja o raio descendente. Além disso, as cargas elétricas de sinal oposto, induzidas no solo, podem iniciar o raio ascendente. Estes dois tipos de raios são denominados de raios precursores (Ortiz, 2015), como representado na figura 1.

FIGURA 1: Formação dos raios descendentes.FONTE: Brasil (2022).

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O raio descendente é o mais frequente, em que há uma descarga elétrica entre uma nuvem e o solo. O raio ascendente, por sua vez, é raro e costuma acontecer apenas a partir de estruturas altas, como prédios, arranha-céus, antenas, torres, entre outras. Nesse tipo de raio, a ramificação é voltada para cima (Saba, 2001, p. 20).

Este tipo de raio raro é formado quando os raios positivos descendentes produzem, no interior da nuvem, descargas carregadas negativamente com extensão horizontal de muitos quilômetros. Deste modo, quando estas descargas negativas passam por cima de locais altos, como arranha-céus e torres, elas podem induzir que essas regiões fiquem positivas. Assim, se a intensidade da carga elétrica induzida for suficiente, na ponte de tais locais podem surgir o que se chama de raios ascendentes, ou raios invertidos (Schumann, 2019), como representado na figura 2.

FIGURA 2. Formação dos raios ascendentes '(a) O desenvolvimento do líder bidirecional intranuvem começa com os líderes positivos (vermelho) e negativos (azul) se expandindo a partir de um ponto de iniciação. (b) A aproximação do líder negativo inicia e o líder positivo sobe (vermelho) durante um flash intranuvem (c.1) ou antes de uma descarga de retorno (c.2).'

FONTE: Schumann et. al (2019).

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Por fim, um fato curioso sobre os raios é que eles produzem alguns tipos ondas eletromagnéticas, estas que são produzidas no ar por meio da variação de uma corrente elétrica, do movimento de uma carga elétrica, de um campo elétrico ou magnético. Sendo assim, elas podem ser definidas como a oscilação dos campos eletromagnéticos, em que um campo magnético é perpendicular a um campo elétrico (Guimarães, 2016, p. 160).

Já foi esclarecido acima que o campo elétrico é uma região influenciada por cargas elétricas, já o campo magnético, por sua vez, se origina pela movimentação dessa carga elétrica, ou seja, pela variação da intensidade do campo elétrico. Assim, a ondas eletromagnéticas vão surgir pela variação desses campos, e além da luz produzida pelos raios - que é uma radiação eletromagnética - estes produzem em diversas outras frequências, inclusive raios-X (Saba, 2001, 22).

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De acordo com Saba (2001), em dias de tempestade, é recorrente ouvir ruídos ou chiados ao sintonizar em uma rádio AM. Tal acontecimento ocorre em decorrência ao fato do raio também produzir ondas nessa mesma faixa de frequência - ondas de rádio. Isso facilita, principalmente, a localização do local da ocorrência dessas descargas elétricas, visto que as antenas sincronizadas recebem a onda eletromagnética produzida pelos raios e localizam com precisão o local em que este ocorreu.

## 3. CONCLUSÃO

Durante este trabalho foram desenvolvidos dois temas principais: Medicina &amp; Física e Eletricidade Atmosférica. Tais tópicos foram explicados utilizando os conceitos corrente elétrica, campo elétrico, campo magnético, ondas eletromagnéticas, dentre outros, que fazem parte do eletromagnetismo, constatando que a física está profundamente relacionada a vários fenômenos do cotidiano. Neste sentido, ao propor explicar situações vivenciadas pelos alunos, a partir dos conceitos da física, tem o potencial de ser uma alternativa metodológica a ser utilizada pelo professor em suas aulas. Portanto, conclui-se que a proposta de material didático apresentada neste trabalho pode tornar o aprendizado dos discentes mais efetivo no que se refere aos conceitos do eletromagnetismo para o ensino médio.

## 4. REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO

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