Eletromagnetismo no Ensino Médio

1. Introdução

No circuito, a pilha desempenha um papel muito importante. É ela a 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.

2. Localizando a atividade

Dentro do contexto do meu planejamento a pilha corresponde à última atividade. É ela que dará uma visão geral da movimentação de cargas elétricas no circuito, permitindo assim um "desfecho" sobre o que é um circuito fechado e o por quê da movimentação de cargas nesse circuito.

3. Relação com o conhecimento anterior do aluno

Embora nas atividades anteriores os alunos tenham tido a oportunidade de entrar em contato com a estrutura da matéria, diferenciar condutores e isolantes, explicar o fato de a lâmpada acender e ter entrado em contato com a idéia de circuito aberto e fechado, é com a realização da atividade da pilha que estes conceitos serão finalmente lapidados.

4. Objetivo da atividade

Com a lapidação dos conceitos anteriores, que o aluno tenha agora a oportunidade de construir um modelo mais completo sobre corrente elétrica, sendo capaz de defini-la.

5. Materiais necessários

A pilha escolhida por mim foi a pilha denominada "pilha de Volta".
Para a montagem desta pilha os materiais necessários são:

6. Descrevendo a atividade

O sulfato de cobre é dissolvido na água contida em um dos copos de plástico formando a solução de sulfato de cobre. O mesmo deve acontecer com o sulfato de zinco. Em seguida, algumas tiras de papel higiênico, já cortadas de acordo com o tamanho das placas de cobre e zinco, são mergulhadas nas soluções.Um "sanduíche" é montado de acordo com a seqüência :

Placa de cobre + papel higiênico molhado na solução de sulfato de cobre + papel higiênico mergulhado na solução de sulfato de zinco + placa de zinco.

A extremidade do fio condutor é conectada (encostada e pressionada) à parte inferior da placa de cobre e a outra é conectada (enrolada) na rosca da lâmpada. Quando a base da lâmpada é pressionada contra a placa de zinco, a lâmpada acende.

Observações:

Os alunos observam que a lâmpada acende momentaneamente e que a superfície da placa de cobre em contato com a solução de sulfato de cobre ficará recoberta por uma substância escura, e que o mesmo acontecerá na placa de zinco, mas com menor intensidade. Para esta observação é interessante que a atividade seja feita em grupo e as ligações repetidas algumas vezes.

7. Problematização

Estes fatos devem ser usados pelo professor para levar a uma problematização - o aluno deverá ser levado a questionar o porquê do aparecimento destas substâncias escuras. Esta problematização tem como finalidade motivar o aluno a ir em busca de respostas e, portanto, do conhecimento sobre a composição dos materiais e a circulação da corrente elétrica.
É claro que o aluno não chegará sozinho à resposta. O papel do professor será agora o de orientador, levando o aluno a construir a resposta.

As placas ficando escurecidas mostram que aí ocorreram reações químicas. Que relação tem o aparecimento destas substâncias nas placas com o fato de a lâmpada acender?
A resposta a essa pergunta está ligada às reações químicas que ocorrem entre as placas e suas respectivas soluções. A próxima etapa da atividade é entender como essas reações ocorrem.
Para que ocorra este entendimento vamos montar um quebra-cabeça no qual há peças com o símbolo (Zn⁺²), (Cu⁺²), (ZnSO₄),(CuSO₄),(SO₄^-2) e (-).
A intenção é montar a placa de cobre embebida na solução - com íons Cu⁺² e elétrons livres (-). O aluno é informado de que a placa deve estar eletricamente neutra. O aluno deverá montá-la segundo esta informação. O mesmo deverá ser repetido com a placa de zinco.Um pedaço de papel pode ser usado para representar as placas.

Uma tira de papel deve se preenchida com átomos de cobre e elétrons representando o fio e respeitando a regra de que deve estar eletricamente neutro para ser ligado à placa no momento oportuno.
Uma superfície porosa representada por uma tira de papel contendo pequenos furos deve ser colocada entre as duas placas e estas devem ser mergulhadas em suas respectivas soluções.

Agora o aluno deve ser informado que o sulfato de cobre e o sulfato de zinco quando colocados na água se dissociam em íons dos átomos de cobre e zinco e o íon SO4^-2. A figura dá somente uma amostra do que deve ser feito. Quando o aluno estiver montando deverá representar mais íons de cobre, zinco e sulfato.
Agora pensando na movimentação desses íons nas soluções e nas forças de atração, verificar quem atrai quem e o que acontece.
O íon de sulfato, ao se movimentar próximo à placa de zinco, captura íons de zinco formando o sulfato de zinco que devido à presença da água se dissocia. Na placa, ficam os elétrons. À medida que átomos de zinco deixam a placa, esta vai diminuindo e os elétrons vão se acumulando. Íons de zinco passando perto da placa também são atraídos pelos elétrons, capturando-os formando o zinco que vai se depositando na placa e que a deixa escura. Mas, a oxidação é mais rápida que o depósito de zinco na placa. O aluno deverá fazer esta movimentação usando as peças e notar que à medida que átomos de zinco deixam a placa elétrons se acumulam na placa.

O íon de sulfato, ao se movimentar próximo à placa de cobre, também captura íons de cobre formando o sulfato de cobre, que devido à presença da água também se dissocia. Assim, a placa de cobre também oxida enquanto que íons de cobre capturam elétrons formando o cobre, que vai se depositando na placa e que também a deixa escura. A diferença é que o depósito agora é muito mais rápido que a oxidação e a placa fica muito mais escura por este motivo. O acúmulo de elétrons na placa de cobre é inferior ao da placa de zinco. Esta movimentação deverá ser feita pelo aluno, notando que o acúmulo de elétrons nas placas é diferente e maior na placa de zinco. Pensando que entre os elétrons há forças de repulsão, este acúmulo tende a estabelecer uma tensão entre eles, tensão esta devida à "vontade" que sentem de se afastarem. Esta tensão é bem maior na placa de zinco, e dizemos que há uma tensão maior na placa de zinco que na placa de cobre. Esta diferença de tensão também é conhecida como diferença de potencial (ddp).

Quando o fio é ligado às placas, os elétrons, que estão sob uma tensão maior na placa de zinco, querem sair e exercem uma força de repulsão, afastando os elétrons que estão localizados nas extremidades do fio ligado a ela obtendo espaço para nele entrar. Este elétron do fio devido a esta força aplicada sobre ele é acelerado na direção e sentido desta força e forçado a se deslocar. Mas, ao ser deslocado, este elétron se aproximou de um outro elétron do fio o que aumenta a força de repulsão entre eles e ocorre o mesmo processo anterior. Este processo ocorre entre todos os elétrons do fio ao mesmo tempo e contra a vontade esses elétrons embora relutem seguindo várias direções aleatórias, são obrigados a seguirem uma direção preferencial se aproximando da placa de cobre e para ela são "empurrados". Chegando à placa de cobre esses elétrons são capturados pelos átomos de cobre da solução, e mais cobre é "fabricado".

Agora você deve notar que a solução de sulfato de zinco está apresentando mais íons positivos do que negativos e dizemos que a solução está saturada, o mesmo acontecendo com a solução de sulfato de cobre que está saturada com íons negativos de sulfato. As reações tendem a não mais acontecerem. Neste momento os íons de sulfato sendo atraídos pelos íons de sulfato de zinco atravessam a superfície porosa e novamente as reações voltam a acontecer. A pilha então provoca a movimentação de cargas elétricas tanto no fio como na parte interna da pilha. Ao deslocar essas cargas, a pilha realiza um trabalho. O trabalho interno é realizado por uma força, chamada força eletromotriz, e o trabalho de deslocamento dos elétrons através do fio é realizado por uma força, chamada força elétrica.

Todo o movimento de cargas neste circuito fechado deverá ser "visualizado" no momento em que o aluno deslocar as peças.

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