Eletromagnetismo no Ensino Médio

Objetivo da avaliação

Os alunos, em grupos, construíram a Pilha de Daniell. Durante essa aula, direcionei as observações e foram discutidos vários conceitos. O esforço foi para que os alunos relacionassem o que ocorria com a pilha e os componentes da montagem, com os conceitos de Eletricidade, como carga, corrente elétrica e ddp. Na aula seguinte após a discussão, esse conhecimento deveria ser sistematizado e, para isso, os alunos escreveram o que fora discutido oralmente. A pilha não estava mais à disposição para observação, nem o multímetro, mas eles tinham os desenhos e anotações que fizeram, de seus conhecimentos prévios confrontados com as observações empíricas. Então eles se reuniram em grupos e buscaram, com a ajuda das anotações, dos livros e do professor, conectar esses conceitos entre si, para recordar a “história da pilha”. As questões que apresento aqui serviram para auxiliar o trabalho e ficam com sugestão de encaminhamento dessa atividade. As primeiras questões estão mais relacionadas às observações experimentais e as últimas procuram conectar a geração de corrente elétrica pela pilha com o circuito elétrico estudado em aulas anteriores.

Questões

1. Na pilha, que tipos de reações químicas devem ocorrer para produzir corrente elétrica?
As reações de oxirredução, que envolvem a transferência de elétrons.

2. Como você sabe que elétrons se movem de forma a estabelecer corrente elétrica através do fio condutor? Explique.
O despertador ou a calculadora começam a funcionar. Isso é indicativo de que o circuito fechou. Ao fechar o circuito, estabelece-se externamente à solução a passagem de corrente elétrica, devido à transferência de elétrons pelo fio, resultado da reação de oxirredução. Internamente, há no líquido, a movimentação iônica.

3. É possível verificar qual o sentido da passagem de elétrons?
Colocando-se o voltímetro ligado ao sistema, podemos inferir que haverá um fluxo de elétrons entre as placas de zinco e de cobre, pois há ddp. Colocando-se o voltímetro ligado em paralelo à pilha, se o valor da ddp der positivo, então o terminal “A” (usualmente vermelho) indica o polo positivo e o terminal comum "B" (usualmente preto) indica o negativo. Então, os elétrons estão passando no sentido do terminal "B" para o terminal "A" (pois o sentido convencional da corrente é o de cargas positivas, mas os elétrons são negativos).
Outra forma de verificar é, após algum tempo com a pilha ligada a um circuito, observar a corrosão das placas. A placa que é corroída é a que perde elétrons, portanto, é de onde saem os elétrons, em direção à outra placa.

4. O que o amperímetro colocado em série no circuito, nos indica? Por quê?
O amperímetro mede a corrente elétrica e, assim, indica a existência de corrente elétrica no circuito.

5. Como aparece a ddp inicial, para que haja corrente elétrica?
O zinco liberta íons positivos (Zn²⁺) na solução de sulfato de zinco e retém elétrons na placa, ficando negativo em relação a essa solução. O cobre também liberta íons positivos (Cu²⁺), na solução de sulfato de cobre e retém elétrons na placa, ficando negativo em relação a essa solução. Porém, o zinco, por ser mais reativo, liberta mais íons do que o cobre, retendo mais elétrons, por isso o zinco fica mais negativo que o cobre, dando essa diferença de potencial.

6. Como se mantém essa ddp?
A concentração dos íons (Zn²⁺ e Cu²⁺) afeta diretamente o fluxo de elétrons no fio condutor do circuito externo, portanto, para manutenção da ddp, esses íons livres passam de uma solução a outra, através da porcelana porosa ou ponte salina, mantendo a neutralidade elétrica (equilíbrio elétrico) das soluções.

7. Qual a função da ponte salina no experimento?
A mesma da porcelana porosa: permitir o transporte de cargas de uma solução à outra. Para que a neutralidade de carga seja mantida, cátions devem se mover no sentido da solução CuS0₄ e os ânions devem chegar à solução ZnSO₄.  Além disso, na ponte salina os cátions K⁺ dirigem-se à solução CuS0₄ e o ânion Cl^- à solução ZnSO₄. Tudo isso ocorre, ao mesmo tempo que os elétrons fluem no fio, graças à reação da pilha.

8. Existe corrente elétrica na parte interna da pilha? Onde?
Sim, as soluções funcionam como meio condutor de corrente elétrica que circula entre as placas metálicas, através da porcelana porosa ou da ponte salina. A corrente é constituída pelos íons na solução e normalmente é denominada de corrente iônica.

9. Quais são as partículas com carga que se movimentam através de um fio externo da pilha?
Os elétrons.

10. Quais são as partículas com carga que se movimentam na parte interna da pilha?
Os íons: cátions Zn²⁺ e ânions SO₄^2-.

11. O que se constatou ao se ligar o relógio na pilha? Por quê?
O relógio começou a funcionar. A placa de zinco oxidando-se, fornece elétrons, através do fio, para a placa de cobre, que reduzirá cátions Cu²⁺ na solução. A corrente estabelecida no fio irá alimentar o relógio, fazendo o alarme funcionar. Essa pilha fornece aproximadamente 1,10 Volt, uma ddp suficiente para o bom funcionamento do relógio.

12. Ao inverter os polos, o relógio funcionou? Por quê?
Invertendo-se os fios de ligação da pilha, o terminal negativo do relógio estará ligado ao cátodo da pilha e o terminal positivo ao ânodo. Essa inversão permite que o relógio trabalhe. O relógio é um dispositivo que funciona com corrente contínua, ou seja, o fluxo global de elétrons tem de ser contínuo e num determinado sentido. A pilha de Daniell oferece essa corrente contínua, com elétrons partindo do zinco para o cobre. Portanto, o terminal negativo tem de ser ligado ao ânodo da pilha, ou zinco, e o positivo necessariamente ao cátodo, ou cobre.

13. O relógio irá funcionar se utilizarmos água pura no lugar das soluções?
 Não. É indispensável que as reações de oxirredução aconteçam para que haja corrente elétrica.  Deve-se utilizar determinados metais mergulhados em água e sal, resultarão nas placas se tornando polos negativo e positivo da pilha.

14. Por que os metais são colocados nas soluções contendo íons do mesmo metal?
Apenas o contato entre metais diferentes não é suficiente para a geração de corrente elétrica. É necessária a presença de uma solução contendo íons do mesmo metal, onde os metais possam desencadear as reações para ocorrer transferência elétrons, através de um fio condutor.

15. O que acontece se não houver contato entre as 2 soluções através da porcelana porosa ou ponte salina?
Os elétrons do zinco passariam rapidamente para o cobre e, ao se concentrarem na placa de cobre (menos reativo) as forças de repulsão interromperiam o fluxo de elétrons. O fluxo se interrompe muito rapidamente e a corrente elétrica não se mantém.

16. Qual o sentido da corrente elétrica em um circuito metálico, mantida por uma pilha ou bateria?
É o inverso ao do movimento dos elétrons livres. Isso é uma convenção. Sempre que se vir uma seta indicando o sentido da corrente elétrica num circuito, deve-se lembrar de que os elétrons estão se deslocando em sentido oposto, conhecido como sentido eletrônico da corrente elétrica.

17. O que são elétrons livres?
São elétrons altamente energizados que se localizam em órbitas eletrônicas ou níveis de energia mais afastados e, por isso, mais fracamente ligadas ao núcleo, que escapam do átomo e ficam envolvendo a estrutura cristalina como uma nuvem eletrônica, dotados de um certo movimento, desordenado (movimento aleatório).

18. Qualquer movimento dos elétrons livres constitui uma corrente elétrica?
Não, o movimento caótico dos elétrons livres no interior de um fio desconectado não constitui corrente elétrica.

19. Como surge a corrente elétrica? O que está acontece dentro de um fio condutor? O que é corrente elétrica? Obtém-se corrente elétrica através de reações de oxirredução: os elétrons do fio condutor movem-se na direção da placa de cobre porque se estabelece uma ddp entre as 2 placas.  No interior do fio temos uma “nuvem” de elétrons livres desordenados; quando esses elétrons adquirem organização e se dirigem para uma direção e sentido preferencial, empurrados pelos elétrons que saem do zinco, temos um fluxo de elétrons que constitui a corrente elétrica.

20. De onde vem a energia necessária para fazer os elétrons se moverem pelo fio numa direção preferencial?
Vem das reações químicas que acontecem dentro da pilha.

Ver o planejamento de Eletricidade

Ver o experimento da Pilha de Daniell

Ver as questões para condução da aula após o experimento da pilha

Ver os conceitos envolvidos na Pilha de Daniell...