Eletromagnetismo no Ensino Médio

Introdução

Trata-se de um conjunto de experimentos que objetivam a aprendizagem ativa dos conteúdos de Eletricidade, Magnetismo e Eletromagnetismo.

Fundamentação teórica: Construtivismo

Estratégias

O trabalho em grupo pode tornar a aula mais motivadora e facilitar a troca de idéias entre os alunos e de informações entre os alunos e o professor. Atividades práticas ou experimentais são um desafio constante porque é possível observar, pesquisar, construir, enfim, experimentar, gerando discussões e a oportunidade de desenvolver a oralidade, a participação e a colaboração.
Algumas experiências poderão ser demonstrativas, questionando-se os alunos através de perguntas pertinentes que os façam refletir, estimulando a participação, levando-os a pensar.
Faz-se necessário uma síntese do que foi desenvolvido, através de aulas expositivas, dando uma visão geral e a sequência do conteúdo, formalizando o conhecimento científico.

O que eu espero que os alunos aprendam até o final do curso

- A natureza elétrica dos materiais, com enfoque central no conceito de circuito elétrico e no modelo microscópico de corrente elétrica, porque os circuitos elétricos em série e em paralelo e os fenômenos eletromagnéticos só poderão ser analisados em circuitos fechados e causados por estas cargas em movimento, submetidos a uma tensão; o campo magnético de um imã também é criado por estas cargas quando estabelecida uma corrente elétrica no interior do material de que ele é feito.
- Saber identificar em nosso cotidiano, a aplicação prática desses conhecimentos que contribuem para o nosso conforto e segurança. Por exemplo, os fios elétricos são uma inteligente aplicação de condutores e isolantes: na instalação elétrica das residências são usados fios de cobre revestidos de plásticos para evitar curto-circuito e choques elétricos. As vantagens e desvantagens dos circuitos em série e em paralelo. Como funcionam os dispositivos eletromagnéticos, onde são utilizados e por quê.

Avaliação

A avaliação é contínua. É um instrumento para ajudar o aluno e o professor, fazendo parte integrante do dia-a-dia em sala de aula. Todas as etapas da atividade são avaliadas: a execução do experimento, o registro do aluno, individualmente e em grupo, a montagem de dispositivos, a pesquisa, a prova. Analisando com cuidado o registro dos alunos, conversando com eles, ouvindo suas justificativas, pode-se saber o que o aluno aprendeu. A avaliação pictórica através de desenhos também fornece informações importantes: constitui a representação de como ele entende o fenômeno. O registro do professor é importante para saber onde está a dificuldade do aluno e, a partir daí, organizar a seqüência do conteúdo para toda a classe. A frequência às aulas e a participação dos alunos são fatores importantes para valorizar o aluno.

Obs. Links para as atividades estão disponíveis ao longo do texto e ao final da página.

Eletricidade

1ª atividade - Circuito elétrico simples com 1 fio (desafio)

Duração: 1 aula

Conteúdo: corrente elétrica.

Objetivos:
- verificar os pontos de contatos na lâmpada e na pilha.
- verificar se o filamento da lâmpada faz parte do circuito.

O que eu espero do aluno:
Perceber que existem diversas alternativas de se ligar uma lâmpada a uma pilha, nas quais a
lâmpada poderá acender.

Experiência: montar 1 circuito simples com 1 fio, 1 lâmpada e 1 pilha. Fazer a lâmpada acender com esses materiais.

Justificativa: trabalhar outro tipo de linguagem: o desenho. A análise pictórica facilita a expressão dos conhecimentos prévios. A utilização dos fios condutores sem os jacarés e a lâmpada sem o soquete é importante para se determinar os contatos e a visualização do caminho fechado. Torna-se um desafio porque os alunos acham que é impossível acender a lâmpada com apenas 1 fio. Eles "vibram" quando conseguem e ficam intrigados quando é pedido que se encontre mais 3 maneiras de conectar.

2ª atividade - Circuito elétrico simples com 2 fios

Duração: 1 aula
Conteúdo: corrente elétrica

Objetivos:
- reforçar a idéia de pontos de contato.
- representar o caminho sem interrupção através de setas, mostrando a orientação do caminho da corrente elétrica.

O que eu espero do aluno:
- perceber o caminho metálico fechado.
- aprender a representar graficamente esse caminho metálico fechado.

Experiência: montar 1 circuito com 2 fios, 1 lâmpada e 1 pilha. Fazer a lâmpada acender.

Justificativa: através dessa atividade, é possível detectar se os componentes internos da lâmpada fazem parte do circuito. Perceber que a existência de corrente não está associada ao fato da lâmpada acender ou não e sim ao conceito de circuito aberto e fechado, pois só o fato das hastes metálicas estarem ligadas às extremidades dos fios não garante que "algo" passa por elas.

3ª atividade - Circuito simples com 2 fios e 2 lâmpadas

Duração: 1 aula

Conteúdo: corrente elétrica e caminho fechado.

Objetivos:
- entender o caminho da corrente elétrica.
- mostrar com setas o caminho através do qual "algo" circula da pilha até os filamentos das lâmpadas permitindo que elas acendam.

O que eu espero do aluno:
- perceber que "algo" passa pelo fio, filamento da lâmpada e pilha para acendê-la.
- perceber que este "algo" é importante para o conceito de corrente elétrica.

Experiência: montar 1 circuito com 2 fios, 2 lâmpadas e 1 pilha. Fazer a lâmpada acender.
Justificativa - Levar o aluno a entrar em conflito com a sua concepção espontânea: as cargas positivas e negativas saem de cada lado da pilha e o encontro na lâmpada provoca uma explosão que acende a lâmpada.

4ª atividade - Condutores e isolantes

Duração: 1 aula

Conteúdo: ligação metálica e elétrons livres.

Objetivos: comprovar que o grafite é condutor e é usado nas pilhas comuns.

O que eu espero do aluno:
- identificar na pilha materiais com essas propriedades.
- testar vários materiais que conduzem ou não corrente elétrica.

Experiência: montar circuitos simples incluindo materiais que conduzem ou não a corrente elétrica.

Justificativa: essa atividade é necessária para analisar a propriedade de conduzir eletricidade ou não de cada componente da lâmpada.

5ª atividade - A lâmpada por dentro

Duração: 1 aula

Conteúdo: circuito fechado e corrente elétrica.

Objetivos: identificar os metais (condutores) para que a corrente passe pela lâmpada.

O que eu espero do aluno:
- observar a lâmpada comparando com o desenho com todos os componentes internos da lâmpada.
- investigar a importância do vidro e resina preta (isolantes), definindo o caminho.

Justificativa: essa atividade foi introduzida porque, em esquemas desenhados pelos alunos, as lâmpadas não apresentavam filamento ou tinham uma representação sem continuidade (circuito aberto).

6ª atividade - Pilha de Volta

Duração: 3 aulas

Conteúdo: estrutura da matéria, circuito fechado, corrente elétrica, ddp.

Objetivo: estudar as reações químicas envolvidas para entender a estrutura da matéria.

Justificativa: no circuito, a pilha desempenha um papel muito importante. As reações químicas são mais imediatas e podem ser analisadas pelos resultantes ou produtos formados.

7ª atividade - Pilha de Daniell

Duração: 3 aulas

Conteúdo: circuito fechado e aberto, ddp, elétrons livres, íons, corrente elétrica.

Objetivos:
- entender o conceito de força eletromotriz responsável pela manutenção da ddp.
- entender quando a pilha pára de funcionar.

O que eu espero do aluno
- perceber que é através das reações químicas que a ddp se estabelece.
- entender que no circuito aberto os elétrons não têm possibilidade de chegar ao polo positivo da pilha.
- entender a corrente elétrica por dentro dos fios.

Justificativa: comprovação do caminho fechado com a ponte salina. A pilha é responsável pela movimentação das cargas elétricas no interior dos fios e no interior das soluções, permitindo uma circulação ininterrupta de cargas elétricas, obtendo-se o que chamamos de circuito fechado.

8ª atividade - Aula síntese da corrente elétrica

Duração: 1 aula

Conteúdo: circuito fechado, ddp, corrente elétrica real e convencional, estrutura da matéria (condutores), Modelo de Drude, fórmulas: i =Q/t e Q = n.e, unidades de medida.

Objetivos:
- apresentar uma comparação das idéias dos alunos com os conceitos científicos.
- dar uma aula expositiva formalizando os conteúdos que foram trabalhados experimentalmente.

O que espero do aluno:
- utilize a linguagem científica correta para o estudo da eletricidade.
- entenda a construção da fórmula para o cálculo da intensidade de corrente elétrica.

Justificativa: a sistematização do conhecimento científico é importante para organizar as idéias apresentadas pelos alunos.

9ª atividade - Circuito em série e paralelo (desafio)

Duração: 3 aulas

Conteúdo: associação de resistências em série e em paralelo, o multímetro como instrumento de medida, 1ª Lei de Ohm.

Objetivo:
- comparar o brilho das lâmpadas e discutir o caminho da corrente elétrica em cada circuito.
- investigar a intensidade da corrente elétrica para entender a diferença nos brilho das lâmpadas.

Experiência: montar um circuito em série e depois em paralelo com 2 lâmpadas e discutir as diferenças na construção de cada tipo de circuito.

O que eu espero do aluno:
- perceba que sempre as lâmpadas em paralelo brilham mais que em série.
- entenda que, quando existe um único caminho para a corrente, quanto mais lâmpadas forem colocadas, menor o brilho.

Justificativa: essa atividade de montagem com as lâmpadas sem soquetes e os fios sem jacarés reforça a atenção sobre os contatos e dá ênfase ao caminho fechado. Os alunos ficam entretidos na tentativa de conseguirem fazer a montagem. Eles entendem com mais facilidade a diferença de brilho das lâmpadas.

10ª atividade - Medidas de tensão elétrica e corrente elétrica nos circuitos em série e paralelo com lâmpadas

Duração: 3 aulas

Conteúdo: medidas de ddp e intensidade da corrente elétrica e cálculo da resistência.

Objetivos:
- comprovar que no circuito em série a tensão divide mas, a corrente é a mesma em todo circuito.
- comprovar que no circuito em paralelo a corrente divide mas, a tensão é a mesma em todo o circuito.

Experiência: utilizar o multímetro para fazer medidas utilizando as escalas específicas nas montagens em série e em paralelo.

O que eu espero do aluno:
- entenda, o que diferencia um do outro é a ddp e a corrente.
- aprenda a usar o multímetro.

Justificativa: essa atividade comprova, na prática, os efeitos qualitativos observados, pois os alunos podem medir a ddp e a corrente elétrica em partes diferentes dos circuitos, para entenderem o comportamento da corrente elétrica em circuitos diferentes.

11ª atividade - Como usar o multímetro? (avaliação)

Duração: 1 aula

Conteúdo: função do aparelho, escala de medida, unidade de medida

Objetivos:
- saber qual função do aparelho é adequada à medida.
- saber qual escala utilizar através da análise das medidas realizadas.
- saber qual é a unidade de medida de acordo com a grandeza a ser utilizada.

O que eu espero do aluno: que entenda como inserir o multímetro no circuito para fazer diferentes medidas de corrente elétrica, tensão e resistência elétrica.

Justificativa: essa avaliação foi feita porque os alunos realizaram as medidas de forma organizada, então receberam o multímetro para analisarem o comportamento de um resistor de carbono.

12ª atividade - Lei de Ohm

Duração: 3 aulas

Conteúdo: 1ª Lei de Ohm

Objetivo: saber o valor da resistência de um resistor de carbono através do código de cores e das medidas de tensão e corrente.

Experiência: montar um circuito com fios de cobre, resistor de carvão com apenas 1 pilha e medir a corrente elétrica no circuito e a tensão no resistor. Em seguida, com 2 pilhas, depois 3 pilhas, até com o número de pilhas disponíveis. Utilizar as pilhas em série.

O que eu espero do aluno: aprenda a construir gráficos e com isso consiga perceber a diferença entre os resistores ôhmicos e os não ôhmicos.

Justificativa: é importante que o aluno saiba calcular a resistência experimentalmente, comparando através da indicação do código de cores.

13ª atividade - Aula síntese dos circuitos em série e paralelo e Lei de Ohm

Duração: 2 aulas

Conteúdo: circuito em série e paralelo, resistência elétrica e Lei de Ohm

Objetivos:
- apresentar uma comparação das idéias dos alunos com os conceitos científicos.
- dar uma aula expositiva formalizando os conteúdos que foram trabalhados experimentalmente.

O que espero do aluno:
- entenda a diferença entre os circuitos série e paralelo.
- entenda a função de um resistor ôhmico.
- entenda a Lei de Ohm.

Justificativa: a sistematização do conhecimento científico é importante para organizar as idéias apresentadas pelos alunos.

14ª atividade - Campo elétrico e a busca de Modelo explicativo

Duração: 1 aula

Conteúdo: campo elétrico

Objetivos:
- observar os efeitos visíveis, como a ação de uma força (atração ou repulsão), uma vez que o campo elétrico não é visível.
- perceber através da eletrostática, a atração à distância se torna aparente.

Experiência: cortar o papel em pedacinhos e deixá-los sobre a mesa. Atritar a caneta com a lã e aproximar rapidamente a caneta dos pedacinhos de papel e questionar: Por que a caneta atraiu os papeizinhos? Qual o sentido de transferência de cargas elétricas: do plástico para a lã ou da lá para o plástico?

O que espero do aluno: entenda que um corpo inicialmente neutro, quando eletrizado, passa a ter um nº diferente de elétrons, o que determina sua carga elétrica. Ou ele ganha e adquire carga negativa ou ele perde e adquire carga positiva.

Justificativa: o modelo de corrente elétrica utilizado até agora não consegue explicar o efeito sobre os papeizinhos, pois, nesse caso, ocorre uma interação a certa distância. Para explicar essa interação é preciso falar de campo elétrico.

Magnetismo

15ª atividade - Interação entre o imã e os materiais ferromagnéticos

Duração: 1 aulas

Conteúdo: força magnética, propriedades magnéticas dos materiais.

Objetivos: identificar os materiais ferromagnéticos com o auxílio de um imã.

Experiência: aproxime um imã de cada um desses materiais: borracha, alumínio, cobre, ferro, latão (liga de cobre e zinco), aço (liga de cromo, níquel e ferro), clipe (aço), moeda (níquel).

O que espero do aluno: entenda que para identificar os materiais ferromagnéticos, basta aproximar o material de um imã e verificar se há atração.

Justificativa: essa atividade é interessante porque os alunos imaginam que todos os metais são atraídos pelo imã e somente o ferro, o níquel, o cobalto e algumas ligas que contêm esses elementos são ferromagnéticos e, portanto, atraídos.

16ª atividade - Interação entre imãs e bússolas

Duração: 2 aulas

Conteúdo: campo magnético, forças de atração e repulsão de origem magnética, orientação do campo magnético.

Objetivos:
- entender como a bússola funciona e que a agulha da bússola é um ímã.
- perceber que cada linha que representa o campo magnético "sai" do polo Norte e "entra" no polo Sul; elas são linhas fechadas.

Experiência: parte 1) aproximar dois ímãs. Quando fazemos isso, um deles sempre tende a girar e a se unir ao outro, de forma que seus polos opostos fiquem em contato. Fazer o mesmo com as bússolas. Observar que a bússola "percebe" que existe outro campo magnético através do movimento da agulha, além daquele gerado pela Terra e que é responsável pela orientação natural da agulha.

Parte 2) fazer o mapeamento do campo magnético.

O que eu que espero do aluno:
- perceba essa interação à distância que explicamos usando a idéia de campo magnético.
- entenda porque não podemos colocar um ímã perto de uma fita magnética.

Justificativa: a interação entre bússolas nos permite questionar sobre a determinação dos polos do imã. Os 2 polos de um corpo interagem com os 2 polos contrários do outro. O resultado dessa interação é uma força e um toque. Por esse motivo, a agulha da bússola pode girar sobre seu eixo ou 2 ímãs colocados perto um do outro, um deles sempre tende a girar e a se "colar" de forma que seus polos fiquem em contato com o polo inverso de outro imã.

17ª atividade - Observando as linhas de campo

Duração: 2 aulas

Conteúdo: linhas de campo magnético, sentido do campo magnético

Objetivos:
- observar o distanciamento das linhas: onde as linhas estão mais próximas, o campo é mais intenso (nos polos Norte e Sul).
- analisar o mapeamento feito com a bússola, onde cada linha sai do polo Norte e entra pelo polo Sul.

Experiência: "ver" as limalhas de ferro espalhadas em uma folha de papel apoiada sobre um imã, transformando-se em pequenos imãzinhos que se orientam na direção do campo magnético.

O que espero do aluno: perceba que, como são muitos imãzinhos, podemos observar sobre o papel, as diversas linhas de ação do campo magnético e, portanto, visualizá-lo.

Justificativa: os alunos poderão comparar as linhas obtidas com a limalha, com as direções obtidas pelo mapeamento com a bússola. É interessante porque é possível observar limalhas que se levantam porque as linhas de campo não se restringem apenas ao plano, mas existem em toda região do espaço (tridimensional). É necessário o conhecimento sobre campo magnético para entender as interações à distância.

18ª atividade - Magnetizando e Desmagnetizando

Duração: 3 aulas

Conteúdo: campo magnético, domínios magnéticos, origem microscópica das forças magnéticas.

Objetivos: comprovar que alguns fatores afetam o estado de magnetização e desmagnetização de materiais ferromagnéticos.

Experiência: tipos de processo de magnetização e desmagnetização (por choque mecânico, aquecimento e em movimento de vaivém).

O que espero do aluno: na presença de um campo magnético externo, os "imãzinhos" alinham-se com o campo e o objeto é atraído.

Justificativa: essa atividade explica porque não obtemos um pedaço de imã apenas com o polo Norte e outro com o polo Sul. Esse fenômeno é devido ao grande nº de "imãzinhos" atômicos no interior de um material ferromagnético.

19ª atividade - Aula síntese de magnetismo

Duração: 1 aula

Conteúdo: campo magnético do ímã, campo magnético gerado pela corrente elétrica e pelo solenóide.

Objetivo:
- apresentar uma comparação das idéias dos alunos com os conceitos científicos.
- dar uma aula expositiva formalizando os conteúdos que foram trabalhados experimentalmente.

O que espero do aluno: perceba a ação do campo magnético à distância, na interação entre um imã e os objetos ferromagnéticos.

Justificativa: a sistematização do conhecimento científico é importante para organizar as idéias apresentadas pelos alunos.

Eletromagnetismo

20ª atividade - Bússola e corrente elétrica (experiência de Oersted)

Duração: 2 aulas

Conteúdo: campo elétrico, campo magnético gerado por um fio onde passa corrente elétrica, regra da mão direita.

Objetivos:
- perceber que existe um campo magnético próximo a um fio condutor que, com a passagem de uma corrente elétrica, movimenta uma bússola.
- entender o campo magnético circular em volta de um fio condutor de corrente elétrica.

Experiência: montar um circuito elétrico somente com fio condutor e pilha. Colocar uma bússola próxima do circuito. Observar a agulha da bússola ao ligar e desligar o circuito elétrico.

O que espero do aluno: perceba que podemos obter campo magnético através da corrente elétrica.

Justificativa: essa atividade é interessante porque é possível ver o efeito do campo magnético: a deflexão da bússola que comprova a ação à distancia.

21ª atividade - Eletroímã

Duração: 2 aulas

Conteúdo: polos magnéticos, materiais ferromagnéticos, campo magnético gerado por um solenóide.

Objetivos:
- entender que a intensidade do campo magnético é ampliada devido à presença do núcleo de ferro, o qual se comporta como um imã.

Experiência: enrolar um fio sobre um parafuso, com 10 cm de fios sobrando em cada ponta, ligado aos polos de uma pilha. Clipes serão atraídos para as extremidades do parafuso e ficam "colados" nele, enquanto estiver circulando uma corrente. Desconectando-se o fio da pilha, a corrente pára de circular, soltando os clipes.

O que eu espero do aluno: entenda que o eletroímã intensifica o efeito magnético produzido por corrente elétrica.

Justificativa: essa atividade é importante porque o seu magnetismo pode ser "ligado" e "desligado", sendo esta sua principal vantagem, possibilitando sua aplicação tecnológica, sendo capaz de mover desde pequenas lâminas (campainha elétrica) até toneladas de ferro e aço (guindastes industriais).

22ª atividade - Motor elétrico

Duração: 3 aulas

Conteúdo: campo magnético do ímã, campo magnético gerado por corrente elétrica, força magnética. transformação da energia elétrica em energia cinética.

Objetivos:
- descrever o efeito do campo magnético em cargas em movimento.
- reconhecer do que o motor é feito e como funciona.

Experiência: apóie cada extremidade da bobina em um suporte, preso lateralmente em um pedaço de madeira. Coloque um ímã sob a bobina. Ligue os dois fios condutores (presos aos suportes) a uma pilha, fechando o circuito. Dê um "piparote" na bobina, ela começa a girar.

O que eu espero do aluno: perceba que a força magnética atua sobre cargas em movimento para transformar energia elétrica em energia cinética.

Justificativa: construir um modelo de motor elétrico de corrente contínua. Ele é parte essencial de aparelhos de uso diário: secador de cabelos, geladeira, liquidificador, máquina de lavar roupas. Também é necessário para dar a partida nos motores de combustão interna, utilizados em carros, caminhões, locomotivas, navios e aviões.

23ª atividade - Indução eletromagnética (experiência de Faraday)

Duração: 3 aulas

Conteúdo: fluxo magnético, campo magnético variável, campo elétrico variável, corrente induzida, transformação da energia cinética em energia elétrica.

Objetivos:
- perceber que, ao deslocar um ímã na direção de uma espira metálica, aparece na espira uma corrente elétrica e cessando o movimento do imã cessa essa corrente.
- comprovar a passagem de corrente induzida por um fio através da deflexão de uma bússola.

Experiência: aproximar e afastar um ímã de uma bobina de um circuito elétrico fechado e observar o desvio da bússola, gerado pela corrente induzida.

O que espero do aluno: entenda a ação à distância: "algo" interage com as cargas elétricas da bobina, produzindo corrente elétrica.

Justificativa: construir um dispositivo que permite produzir corrente elétrica a partir de uma simples movimentação de ímã (gerador de eletricidade), sem o uso de pilhas. Os alunos ficam surpresos.

24ª atividade - Aula síntese de eletromagnetismo

Duração: 1 aula

Conteúdo: força magnética, transformação de energia elétrica em cinética, campo magnético variável, campo elétrico variável, corrente elétrica induzida, geradores elétricos, transformação de energia cinética em eletricidade.

Objetivo:
- apresentar uma comparação das idéias dos alunos com os conceitos científicos.
- dar uma aula expositiva formalizando os conteúdos que foram trabalhados experimentalmente.

O que espero do aluno:
- entenda o funcionamento dos aparelhos de uso diário através do princípio de funcionamento do motor elétrico.
- entenda que podemos gerar corrente elétrica sem utilizar pilhas (como nas hidrelétricas).

Justificativa: a sistematização do conhecimento científico é importante para organizar as idéias apresentadas pelos alunos.

25ª atividade - Investigando 3 caixas pretas

Duração: 1 aula

Conteúdo: corrente elétrica, magnetismo e eletromagnetismo.

Objetivo: verificar o que o aluno aprendeu após a aplicação do planejamento.

Atividade: descobrir o que tem dentro de 3 caixas aparentemente iguais, contendo um fio condutor retilíneo, um ímã e um eletroímã, fazendo parte de circuitos elétricos, através da observação de fenômenos elétricos e magnéticos, usando a bússola como detector de campo magnético e os conceitos de eletromagnetismo.

O que espero do aluno: saiba, através dos efeitos observáveis, relacionar os conhecimentos científicos desenvolvidos.

Justificativa: como fechamento do curso, a avaliação poderá ser feita para identificar os conteúdos que foram significativos.

Links para as atividades.

1ª atividade - Circuito elétrico simples com 1 fio (desafio)

6ª atividade - Pilha de Volta

7ª atividade - Pilha de Daniell

17ª atividade - Observando as linhas de campo

20ª atividade - Bússola e corrente elétrica (experiência de Oersted)

21ª atividade - Eletroímã

22ª atividade - Motor elétrico