Eletromagnetismo no Ensino Médio

A resposta a essa questão não é tão trivial quanto parece, pois os alunos deverão perceber, entre outros atributos, o caminho fechado - ou seja o circuito elétrico, como um caminho único que de um pólo ao outro da pilha, passando pela lâmpada, necessário para que ela acenda. Além disso, deverão construir um modelo físico que lhes permita explicar

Portanto, essa atividade é fundamental, pois os conceitos construídos através dela (átomo, portador de carga, elétron livre, estrutura cristalina metálica, corrente elétrica, condutores e isolantes elétricos, etc.) embasarão todo o trabalho posterior em eletromagnetismo.

Embora simples, a atividade é muito rica e poderia discutir uma série de conceitos, como o de produção da energia luminosa (mais tarde os alunos saberão que se trata de uma transformação) ou o da transformação da energia química em elétrica. As questões de energia seriam particularmente interessantes, pois o meu tema geral para este ano foi o de produção de energia. No entanto, os alunos não têm ainda elementos para aprofundar essa questão (e eu correria o risco de uma discussão "vazia" de significados físicos consistentes), de modo que esse experimento poderá ser retomado para esse fim mais adiante; e neste momento inicial, então, estudaremos um problema mais específico, que dará origem aos conceitos de estrutura atômica da matéria (modelo atômico) e corrente elétrica.

Materiais: Para cada grupo de alunos:
- 1 lâmpada de lanterna (1,5 ou 3 V)
- 2 fios de cobre, desencapados nos terminais
- 1 pilha AA (ou outra qualquer, de 1,5V)

Duração desta atividade: 2 aulas

Conteúdos trabalhados:
Início do trabalho com eletrodinâmica: introdução à conceituação de corrente elétrica, elétrons livres, materiais condutores e isolantes, circuitos elétricos.

Objetivos específicos:
Acender a lâmpada usando o material dado.
(Tentativa de) explicar o fenômeno - "Como a lâmpada acende?"
Analisar das várias hipóteses de explicação
Estudar diferentes possibilidades de ligações, procurando testar as hipóteses levantadas
Introduzir o conceito de "elétrons" (ou portadores de carga elétrica) na representação da corrente elétrica
Perceber o circuito fechado (lâmpada faz parte)

Expectativas conceituais:
Os alunos acham que sabem montar um circuito para acender uma lâmpada, no entanto, por desconhecimento do que significa um circuito, o mais freqüente é ligarem incorretamente os fios à lâmpada: ou somente na base, ou somente na rosca. Aliás, exatamente por isso não colocamos, nessa atividade inicial, soquete para a lâmpada ou suporte de pilhas. Quanto mais simples os materiais, mais poderá ser trabalhado em termos do conceito.
Com relação à explicação de como a lâmpada acende, os alunos raramente falarão em "carga elétrica" ou em "corrente elétrica" (e quando falam, geralmente não sabem o que tais conceitos significam). Costumam elaborar explicações em termos de "energia" ou de "eletricidade". É comum que e energia saia pelos dois pólos da pilha, ou que haja dois tipos de energia que saem da pilha e se encontram na lâmpada.
Alguns alunos falam que a energia circula, porém, nesse caso, não sabem como a pilha descarrega (uma vez que nessa hipótese a "energia" volta para a pilha depois de passar pela lâmpada).

Procedimento (e relação com o conhecimento do aluno)

Aula 1 - Montagem de um circuito elétrico simples

Essa aula é essencialmente experimental. Os alunos vão explorar os materiais dados e conseguir montar um circuito, depois achar uma forma de representá-lo no papel. Ao fim da aula, ensaiarão um modelo físico que explique o fenômeno.

1. Distribuir o material para os alunos com a seguinte tarefa: "usar esse material e acender a lâmpada.

O primeiro objetivo a que o professor deve estar atento é: com a manipulação experimental e para conseguir acender a lâmpada, os alunos devem perceber que os fios são conectados a partes diferentes da lâmpada (fig. 1), e não ambos na base (fig. 2).

Como a lâmpada é pequena, pode acontecer de haver contato duplo do mesmo fio (Com a rosca e com a base simultaneamente), como na ilustração 3 a seguir.

Para que isso não aconteça, uma dica é fornecer aos alunos cabos condutores formados por um fio único (e não compostos de vários fiozinhos de cobre unidos pela mesma capa plástica). A desvantagem desse tipo de fio, por outro lado, é que diminui a maleabilidade do cabo.

Dica: Com o fio encostando no contato errado da lâmpada, é possível que a lâmpada acenda mesmo se o aluno fizer a conexão incorreta incorreta - por exemplo, se os dois fios estiverem na base, mas um dos fios estiver com as cerdas abertas - como na figura 3 mostrada anteriormente. Então o professor deve estar atento para indicar, oportunamente, ao aluno que acendeu a lâmpada deste modo, que procure identificar exatamente em que região da lâmpada deve ser feito o contato, e procurar encostar o fio nesta região somente.

2. Quando todos os alunos conseguem acender a lâmpada, pedir para que eles desenhem a sua montagem. O objetivo desse desenho é chamar a atenção para o fato: a lâmpada acende quando um fio está conectado à base e outro à rosca.

Nota: Alguns alunos, apesar de conseguirem acender a lâmpada corretamente, na hora de fazer o esquema, desenham ambos os fios na base (ou ambos na rosca). Por isso é legal manter a montagem por perto, para tirar essas dúvidas. Se o professor percebe que o grupo está desenhando errado, pergunta: desse jeito acende? Então me mostra.

Após completados os esquemas por todos os alunos (é bom que cada aluno tenha esse esquema anotado em seu caderno), passa-se à segunda parte, que é a busca por uma explicação para o fenômeno. Por que a lâmpada acende? Pedir aos alunos que desenhem no esquema do circuito a sua hipótese sobre o que acontece no esquema do circuito para que a lâmpada acenda.

Os alunos falarão em energia, eletricidade, em cargas... em muitas palavras que não saberão exatamente o significado. Algumas explicações que costumam aparecer poder ser resumidas nesses esquemas:

Fig. 4 Esquemas das explicações dos alunos de como a lâmpada acende.

O esquema (a) explica que, como a pilha tem dois pólos que devem ser ligados para que a lâmpada acenda, devem existir dois tipos de cargas, o "elétron positivo" e o "negativo", que saem desses pólos e se encontram na lâmpada. No esquema (c) a explicação é semelhante, mas fala somente de energias positivas e negativas.
E esquema (b) supõe que a energia pode percorrer o fio nos dois sentidos simultaneamente.
Os esquemas (d) e (e) já prevêem que algo sai de um pólo da pilha e chega ao outro, mas no (e) o circuito interno da lâmpada (e principalmente, o filamento!) não fazem parte desse caminho.

O mais comum é que os alunos se concentrem na passagem da energia somente da pilha para o fio condutor. Por isso, dentre as respostas mais comuns dos alunos, um esquema parecido com o (d) acima (em que o filamento da lâmpada faz parte do circuito) é o menos comum.

Dica: Ligar uma lâmpada de 3V em uma pilha de 1,5V (para que o brilho da lâmpada fique fraco), e perceber que o que acende na lâmpada é realmente o filamento.

Essas explicações dos alunos serão tratadas como hipóteses. Devemos achar um meio de testar as hipóteses e saber qual a mais plausível. (Daqui, pode-se partir para outras atividades que testem as hipóteses. Por exemplo, colocar lâmpadas em série pode ser um indício de que as hipóteses (a) e (c) não são boas. Essa parte é muito bacana, especialmente em turmas criativas, que encontram vários meios de testar as explicações. Observar o que acontece dentro da lâmpada também é uma boa idéia. Alguns alunos inclusive sugerem abrir uma lâmpada - essa atividade funciona, pois eles vêem os fios de contato da rosca e da base com o filamento. Eles podem pensar sobre isso em casa, e inclusive conversar com a família e trazer novas informações ou novas hipóteses.

Propor esse desafio aos alunos: Como testar essas (5) hipóteses?

3. Pedir para os alunos registrarem no caderno um relatório da atividade: materiais, procedimento, desenho do circuito, hipóteses da passagem da eletricidade.
Terminar a aula com a pergunta: Qual o portador da energia elétrica?

A expectativa é de que os alunos levem essa dúvida para casa e que na próxima aula tragam novas idéias para discussão.

Aula 2 - Circuito fechado e corrente elétrica

Essa é uma das maneiras de continuar a aula anterior. Existem várias, e a escolha pode depender (e muito!) do que os alunos propõem e de que hipóteses eles trazem sobre o acendimento da lâmpada. A Shizue contou, uma vez, que fez a atividade de abrir a lâmpada com os alunos. A Mônica uma vez passou para uma análise do que ocorre na pilha, e para a atividade de fazer uma pilha. A Paula fez circuitos em série. A Regina partiu para uma análise do que são os materiais condutores... Enfim, há várias possibilidades, todas muito interessantes e instrutivas. Essa é uma delas, que eu realizei com uma turma de Ensino Fundamental:
Retomar a aula anterior: alguém pensou em uma forma de testar as (5) hipóteses de circulação de energia? Alguém descobriu o portador da energia?

Ouvir o que os alunos pesquisaram / pensaram / descobriram sobre o circuito elétrico. Eles podem trazer as expressões "circuito elétrico", "corrente elétrica", "carga elétrica", "circuito fechado" etc. Cuidado: o fato de um aluno mencionar uma dessas expressões não implica que ele compreende o fenômeno ou mesmo o significado daquela expressão para a física. O professor deve investigar qual a compreensão da expressão que o aluno possui, para não correr o risco de achar que um conteúdo está "dominado", quando na verdade não está.

Existe uma partícula chamada "elétron", que sai da pilha por um pólo (-), percorre o circuito passando pelo filamento da lâmpada, e retorna à pilha pelo outro pólo (+).

Após as explicações do professor, pedir aos alunos para redesenhar o circuito dando ênfase ao caminho percorrido pelo elétron.

Questões surgirão, uma vez que qualquer explicação sobre corrente elétrica nessa fase inicial do estudo será incompleta, pois existem invariavelmente lacunas importantes no conhecimento do aluno: não se falou ainda sobre ddp, não se sabe que tipo de fenômeno ocorre na pilha para que ela produza esses elétrons, a estrutura atômica de um condutor elétrico é também desconhecida, ignora-se a constituição interna de uma lâmpada etc.
Por isso, as questões trazidas pelos alunos são importantíssimas: elas darão motivação para a continuação do estudo e para o aprofundamento do conceito de corrente elétrica. Uma sugestão é que professor e alunos, após discussão, tomem nota dessas questões. Pode-se dar-lhes o título de "lacunas de compreensão".

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Dicas
- Cuidado para que os alunos não usem duas pilhas com a mesma lâmpada, pois há possibilidade de queimá-la.
- Ligações erradas que os alunos costumam fazer (conectando os dois fios na rosca da lâmpada, por exemplo) podem gerar curto circuito e descarregar a pilha. Percebe-se que está havendo um curto-circuito se a pilha esquentar (está descarregando muito rápido). (O curto-circuito, e o que ocasiona um curto é uma discussão interessante para ter com os alunos, depois que eles conseguirem elaborar um modelo de cargas em movimento para a corrente elétrica.)

Comentários finais

Algum professor poderia estranhar o fato de não iniciarmos o estudo da eletricidade através dos fenômenos eletrostáticos e da conceituação de campo elétrico, força elétrica etc. Esclarecemos aqui, mais uma vez, que essa atividade está inserida em um tema amplo que trata de produção de energia. Essa atividade inicial, de circuitos elétricos, é muito oportuna dentro desse tema, porque introduz o conceito de corrente elétrica. É um conceito crucial nesse momento, uma vez que visamos especificamente chegar ao eletromagnetismo, que nos possibilita o estudo da produção de energia elétrica em usinas hidrelétricas, a partir de reações químicas, etc.
Em nosso planejamento, não incluímos a eletrostática, não somente pela questão do tempo (embora este seja um fator importante), mas também porque os conceitos mais importantes da eletrostática serão trabalhados no decorrer do curso, dentro do contexto da eletrodinâmica e do eletromagnetismo.

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