Eletromagnetismo no Ensino Médio

Esta aula síntese de corrente elétrica foi o fim de um processo de algumas aulas experimentais aplicadas para alunos do terceiro ano do Ensino Médio de uma escola pública de São Paulo, que serviram para conhecer as concepções espontâneas dos alunos sobre como e por que a lâmpada acende num circuito simples. Nessas aulas os alunos tiveram oportunidade de encontrar respostas para problemas levantados sobre o circuito simples. Através de atividades experimentais planejadas com construções de circuitos usando uma lâmpada, fios e pilha, os alunos tiveram que responder perguntas, onde expressaram suas idéias sobre a estrutura macroscópica e microscópica envolvidas no estudo da eletricidade. Estas informações serviram para fazer discussões, comparações e debater entre os próprios alunos e principalmente com as idéias científicas. Todo esse processo aconteceu com um envolvimento muito grande e participação dos alunos nas aulas de Física, o que resulta num processo ensino-aprendizagem muito mais gratificante tanto para o aluno quanto ao professor.

O objetivo desta aula foi fazer uma sistematização de todo o conteúdo estudado para entender o conceito de corrente elétrica e sua definição, de modo a perceber aplicações desse fenômeno em seu dia-a-dia e resolver exercícios de Física onde consigam interpretar e dar sentido aos resultados encontrados.

Para preparar essa aula considerei:
1 - Definição de corrente elétrica que estão presentes nos livros didáticos:
Uma corrente elétrica consiste num fluxo de partículas ou íons carregados num sentido preferencial.

2 - Quantificar a corrente elétrica (considerando condutores metálicos):
Intensidade da corrente é a quantidade de carga que atravessa uma seção transversal qualquer do fio, por unidade de tempo.
Onde: q = n . e ( q = carga, n = nº de elétrons; e = carga do elétron)

Partindo deste conceito de corrente elétrica que eu queria passar para o aluno, considerei o resultado de um exercício de Eletricidade de um livro didático e encontrei o número de cargas envolvidos no fenômeno de corrente elétrica. O valor de 3,8 x 10¹⁵, que significa que esse é um número extremamente elevado de cargas que pode se movimentar num fio quando temos corrente elétrica.
É importante levar o aluno a pensar sobre esse resultado e entender o significado físico deste número. O que implica responder algumas questões, como por exemplo:
Que cargas são essas? Qual é o sentido preferencial dessas cargas e por quê? Por que são os elétrons que se movimentam? De onde são estes elétrons? Eles se movimentam? Por quê? Como se movimentam? Qual a relação destes elétrons com a corrente elétrica? O que acontece com a movimentação destes elétrons quando não tem corrente elétrica? Como é esse movimento ordenado dos elétrons num fio onde tem corrente elétrica? Para que servem os pólos da pilha?
Encontrar respostas para estas perguntas significa imaginar e entender o que está acontecendo no fio de cobre quando o circuito está fechado, dentro do filamento da lâmpada quando está acesa e dentro da pilha quando esta faz parte do circuito, o que significa, o aluno entender o fenômeno da corrente elétrica.

Foi esse o motivo que levou a construção de um “modelo da estrutura da matéria” para ser apresentado aos alunos nesta aula síntese de corrente elétrica, como um artifício que seja capaz de materializar algo que não consiguimos enxergar quando estudamos eletricidade que é a estrutura microscópica da matéria. Resolvi dividir a aula em 4 partes, onde preparei alguns painéis em papel pardo.

1ª Parte - Apresentação das concepções dos alunos sobre como a lâmpada acende
Os alunos fizeram atividades experimentais com circuito simples usando uma lâmpada, uma pilha e fios. Foram criadas situações problema com objetivo de conhecer as idéias dos alunos sobre por que a lâmpada acende e o que está acontecendo dentro do fio. Os alunos fizeram desenhos representando os circuitos e colocaram suas idéias sobre o que está acontecendo dentro do fio para a lâmpada acender.
As concepções que os alunos apresentaram foram baseadas em observações empíricas que eles tinham sobre o circuito que construíram. Foram selecionados alguns destes trabalhos dos alunos para serem apresentados num quadro nesta primeira parte da aula, com objetivo de discutir e valorizar essas idéias. É interessante observar como os alunos já apresentam uma visão microscópica da questão de Eletricidade, mesmo sem ter consciência Estas são algumas idéias dos alunos de como a lâmpada acende:
“A carga da pilha chega na lâmpada. São cargas positivas que chegam na lâmpada”
“A lâmpada acende com a energia da pilha que é conduzida pelo fio de cobre”
“Carga positiva e carga negativa se unem e se transformam numa só energia e acende a luz”
“Elétron positivo e elétron negativo produz a luz”
“A corrente flui da pilha para a corrente”

2ª Parte – Idéias dos alunos e os conteúdos científicos
Nesta 2ª parte da aula houve a apresentação de um quadro com idéias dos alunos sobre a estrutura microscópica e macroscópica e uma semelhança com a visão científica.
É interessante notar que podemos aproveitar esse material fornecido espontaneamente pelo aluno numa aula experimental e utilizar para relacionar com a visão científica. Com isso podemos fazer o próprio aluno ver suas idéias sendo valorizadas com coerência e mostrar como essas visões também já podem ter sido pensadas pelos cientistas.

3ª Parte: Apresentação do modelo de átomo
Mostrei para os alunos através do 1° e 2º painéis que eles já apresentam uma visão microscópica da estrutura da matéria para dar explicações sobre o que está acontecendo dentro do fio quando a lâmpada está acesa num circuito simples. Mas muitos alunos não sabem o significado dos termos que utilizaram para explicar em suas idéias.
Os alunos sabiam que os fios condutores utilizados nas atividades experimentais eram de cobre. Com objetivo de mostrar para o aluno informações sobre a menor parte da matéria que compõe esse fio, apresentei o modelo de átomo do cobre. Através de um 3º painel fiz uma sistematização do modelo atômico de Rutherford-Bohr do cobre destacando: O número atômico desse elemento, como é a formação do átomo no núcleo (prótons e nêutrons) e eletrosfera (elétrons), as partículas do átomo apresentam cargas, a distribuição eletrônica em camadas com destaque para a camada de valência. Escrevi no painel que o modelo de átomo apresentado é semelhante ao sistema solar e existe uma natureza elétrica da matéria onde cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais contrários se atraem.
Representei na painel o átomo de cobre em camadas e as “ferramentas” que ia utilizar no modelo da estrutura da matéria . Usei bolinha de massinha (de modelar) azul para representar o íon de cobre ou o cátions de cobre quando perde o elétrons da camada de valência, bolinha de massinha vermelha (menor que a azul) para representar o elétrons livre, palito para representar o sentido e a direção do movimento do elétron.

4ª Parte: O que está acontecendo dentro do fio quando a lâmpada acende e quando o circuito está aberto
Utilizei um 4º painel para montar um circuito com os alunos. Para isso utilizei alguns materiais como: cordão para representar o fio de cobre, uma caixa encapada fazendo o papel da pilha onde desenhei positivos (polo positivo) na cor azul e negativos (polo negativo) na cor azul e um desenho de uma lâmpada. Todos esse materiais foram colados com "durex" no papel pardo com objetivo de lembrar aos alunos que para acender a lâmpada precisamos de uma fonte de energia (pilha), um caminho fechado de material condutor (que acontece também dentro da lâmpada). A questão é: O que está acontecendo dentro do fio?
Para responder essa questão montei com os alunos um modelo da estrutura da matéria utilizando os materiais que foram representados no painel 3.
Aproveitando um vaso em forma de cubo transparente com lados de aproximadamente 20 cm, resolvi utilizá-lo para representar a estrutura cristalina (estrutura atômica) dos materiais condutores como o cobre, a forma da rede cristalina, no caso do cobre é cúbica de faces centradas. Coloquei sobre um copo transparente para aproveitar todos os vértices. Em cada vértice coloquei uma bolinha de massinha azul que representa o íon de cobre, pois cada átomo de cobre perde os elétrons de valência. "Grudei" as bolinhas vermelhas que representavam os elétrons livres nas faces do cubo transparente para mostrar os elétrons, mas aproveitei os palitos para indicar a direção e o sentido destes elétrons livres. Esta movimentação tende a um sentido quando aplicada uma diferença de potencial pelos pólos da pilha no circuito fechado.
Aproximei este modelo construído com o cordão do circuito fechado construído no painel 4 para dar uma visualização do modelo da estrutura da matéria . Estamos falando de algo totalmente abstrato(microscópico) inserido no concreto (macroscópico) que foi trabalhado com o aluno, para dar uma “materialização” do estudo de um fenômeno que envolve todo estudo de Eletricidade.
Aproveitei para construir um modelo da estrutura da matéria quando o circuito está aberto, para mostrar que o elétrons livre dos materiais condutores movem-se livremente (movimento aleatório).
Nesse momento foi interessante destacar que nos materiais isolantes a carga elétrica tem muita dificuldade para se movimentar, o que acontece na borracha, vidro, lã e plásticos.
Esta aula durou aproximadamente 50 minutos.

Conteúdo teórico
A matéria é feita de átomos. Os átomos são constituídos basicamente por três tipos de partículas: elétrons, prótons e nêutrons. Os prótons e nêutrons ficam numa região chamada núcleo do átomo, em torno do núcleo dispõem-se os elétrons.
As diferenças de comportamento elétrico dos materiais sólidos, ou seja, a maior ou menor facilidade com que são percorridos pela eletricidade, pode ser explicada pelas diferenças das estruturas atômicas (estruturas microscópicas).
Na ligação metálica ocorre a liberação dos elétrons mais externos, com a consequente formação de íons positivos. O metal possui uma disposição tridimensional bastante regular e organizada de átomos ligados chamada de rede cristalina, mas que guardam certa distância entre si. As formas das redes cristalinas podem variar dependendo do metal. Por exemplo: cúbico de corpo centrado, cúbico de faces centrada ou hexagonal compacto. No interior do metal, cada átomo perde um ou dois elétrons da camada de valência, que ficam vagando pelos espaços vazios no interior do metal (sendo por isso chamado de elétrons livres), enquanto a maioria dos elétrons está presa nas vizinhanças dos núcleos.
O elétron proveniente da última camada de um material condutor, que não pertence a nenhum átomo em particular move-se livremente (movimento aleatório) dentro do metal e podem passar de um átomo para outro. Nos materiais isolantes a carga elétrica tem muita dificuldade para se movimentar, o que acontece na borracha, vidro, lã e plásticos.

1ª parte: falar para os alunos qual é o objetivo da aula: estudo da corrente elétrica
Frase do dia: “Mais importante do que o conhecimento é a  imaginação” - Einstein

2ª parte: apresentação dos modelos científicos e o modelo do aluno

Modelo científico é um artefato construído pelos cientistas formulado a partir de observações experimentais, que servem para explicar certo conjunto de fenômenos observados e fazer previsões.
Modelo do aluno – serve para levar o aluno a pensar, dar respostas, resolver problemas, estimular o seu potencial, despertar a imaginação, dar oportunidade para o professor conhecer o que o aluno pensa, comparar as idéias dos próprios alunos,  comparar sua idéia com o conhecimento científico, para que dessa forma o aluno seja o protagonista da construção do seu próprio conhecimento.

Desenhos e concepções dos alunos

Apresentação do painel 1 onde são apresentados desenhos e expressões dos alunos que dão indícios da visão micro e macroscópica da estrutura do fio condutor. Estas concepções dos alunos foram levantadas durante as aulas anteriores.

Apresentar as atividades realizadas para encontrar estes  modelos dos alunos

Nesta parte da aula serão apresentadas as atividades que foram realizadas com os alunos e serviram para o levantamento das concepções espontâneas dos alunos. (veja a atividade sobre circuito elétrico simples)

O que podemos observar nos modelos dos alunos:

1 – Visão macroscópica
Segundo os alunos, precisamos para acender uma lâmpada arame, fio de cobre e pilha; isto é, material condutor (metal) e uma fonte de energia.
Os desenhos construídos pelos alunos mostram a necessidade da ligação nos polos da pilha, alguns já mostram os pontos de contato da lâmpada.

2 – Visão microscópica
      Os alunos apresentam idéias sobre a estrutura microscópica em seus desenhos através das setas, onde indicam movimento de alguma coisa e falam de partículas atômicas também em movimento (carga, carga negativa, energia, carga positiva e até elétron positivo)

 Apresentação do painel 2,que mostra as semelhanças entre as idéias dos alunos com o conhecimento científico:

3 - Existem semelhanças entre as idéias dos alunos e o conhecimento científico
É importante destacar nesta aula síntese que os alunos apresentam idéias comparáveis com o pensamento científico. Nesta parte da aula são apresentadas idéias dos alunos, como a existência de algo que circula.
Carga circula - Algo circula no mesmo sentido - A maioria representou o caminho fechado. Estas concepções servem como gancho para "amarrar" com o conhecimento científico, e ao mesmo tempo valorizar o pensamento do aluno.

4 - O que o aluno fala que circula?
O aluno apresenta concepção de que “algo” circula dentro do fio. Ele dá nome para o que pensa que circula no fio, como a carga, carga negativa, energia ou ainda carga positiva.

3ª parte: Circuito com cordão

Neste painel 3 a ser apresentado na aula síntese, aparece a representação do circuito elétrico feito com cordão; que serve para mostrar o aspecto macroscópico que envolve ofenômeno da corrente elétrica.
A pilha é representada com uma caixa forrada onde aparece as cargas elétricas. O amperímetro é mostrado em série com a lâmpada. A  lâmpada foi feita com figura de papel e as conexões, que são os fios condutores do circuito, foi utilizado barbante. Esses materiais foram colados com durex no painel no momento da apresentação.

 O objetivo deste painel foi ampliar o circuito construído pelos alunos, para possibilitar melhor visualização dos componentes do circuito e facilitar discussões das questões macroscópicas.

Os componentes que aparecem no circuito são:

- Lâmpada
- Fios condutores de eletricidade de metal – material condutor
- Fonte de energia
- Pontos de contato na lâmpada
- Podemos medir com o amperímetro (série)

4ª Parte:  Átomo

No painel 4 é apresentado o modelo atômico de Rutherfod-Borh com  destaque para a natureza elétrica da matéria

 Para entender o que acontece dentro do fio, quando passa corrente elétrica, precisamos entender um pouco sobre o átomo de cobre. É importante conhecer a natureza elétrica da matéria, nessa parte da aula foi feita uma retomada dos conceitos do átomo de cobre, atração e repulsão entre as cargas e que a carga é uma propriedade da partícula.

5ª Parte: Ligação metálica

Neste momento da aula teve um destaque sobre a ligação metálica, em que   elétrons ficam “soltos”, isto é, em movimentação aleatória por todo o metal.
É importante destacar que a ligação metálica é diferente da ligação iônica e da covalente.
No sólido, os átomos dos metais se agrupam de forma geométrica ordenada e regular, dando origem aos retículos cristalinos, a figura formada da ligação dos átomos de cobre é o cubo de face, a figura formada pela ligação dos átomos de tungstênio é o cubo de face centrada.

A agitação térmica das moléculas deve ser lembrada nesse momento.

Podemos falar das ligações dos átomos de cobre no fio :
1 – Sob o ponto de vista plano.
2 – Sob o ponto de vista do espaço (formação do cubo). Apresentar o pedaço do fio sem corrente elétrica - elétrons livres em movimentação caótica.
3 – Visão da ligação dos átomos de cobre com fenômeno da corrente elétrica – elétrons num sentido preferencial.

Comparar nos desenhos o circuito aberto e fechado.

Mostrar os pólos da pilha – Quantidade diferente de elétrons em cada pólo – existe uma diferença de potencial que gera a corrente elétrica no circuito fechado.

Apresentar na representação do circuito o sentido da corrente real e corrente convencional

Mostrar um modelo da ligação metálica melhorada.

Será que conseguimos melhorar a visão do modelo da ligação metálica?

Nesse momento podemos utilizar uma montagem simples dos modelos da estrutura cristalina e geométrica do cobre com a representação dos íons de cobre (cátions) e os elétrons livres conforme foto abaixo:

Foto: Representação que foi utilizada na aula da estrutura cristalina do fio condutor. Foi usado um aquário cúbico de vidro e massinhas da cor azul e vermelha. As bolinhas azuis representam os íons positivos da estrutura metálica e as bolinhas vermelhas os elétrons livres.
Os palitos indicam as direções e os sentidos do movimento dos elétrons livres.

Neste modelo foram apresentadas duas situações.
1ªsituação: Com a presença de corrente elétrica - os palitos indicam as mesmas direções e sentidos dos elétrons livres (massinha esférica vermelha).
2ª situação: Na ausência da corrente elétrica - os palitos indicam diferentes direções e sentidos dos elétrons livres (massinha esférica vermelha).
             
6ª Parte: Definir a corrente elétrica

Este é um momento da aula que aparece a definição da corrente elétrica, que é: o fluxo de elétrons num sentido preferencial.
É importante lembrar que no fio metálico a corrente elétrica acontece através da movimentação dos elétrons livres presentes na camada de valência do átomo do metal.
A unidade da corrente elétrica: ampére (A)

7ª Parte: Uma forma de apresentar o fenômeno da corrente elétrica através da linguagem matemática

No painel 5 é feita a apresentação da definição e da expressão matemática referentes a corrente elétrica

O cálculo da intensidade da corrente elétrica.

i = Variação de carga / intervalo de tempo
i = n. e /Δt , onde  n é o número de elétrons e e é a carga do elétrons que atravessa uma secção transversal do fio num determinado tempo t.

8º Parte: Apresentação da resolução de um exercício sobre corrente elétrica

Nesse exercício mostra-se a quantidade de elétrons que se movimentam no fio, com objetivo de interpretar esse resultado.
Essa interpretação serve para dar significado ao resultado, usando a imaginação para pensar na quantidade de elétrons quando ocorre a corrente elétrica.