Condutividade de materias parte 2

Prévia do material em texto

Borracha escolar, água destilada, água salgada, pele humana, tecido vegetal morto, tecido vegetal vivo, liga de alumínio, liga de cobre, ouro;
Atividade Duração Data (d/m) Responsáveis
01 2 horas 12/10 Cleiton, Daiara, Josimar
02 6 horas 12/10 Cleiton, Daiara, Josimar
03 1 hora 12/10 Cleiton, Daiara, Josimar
04 ½ hora 12/10 Cleiton, Daiara, Josimar
05 9 horas 19/10 Cleiton, Daiara, Josimar
06 1 hora 25/10 Daiara
07 ½ hora 03/1 Cleiton, Josimar
08 1 hora 03/1 Cleiton
09 7 horas 03/1 Cleiton, Josimar
10 ½ hora 09/1 Daiara
1 ½ hora 09/1 Cleiton, Daiara, Josimar
12 ½ hora 09/1 Cleiton, Daiara, Josimar
13 18 horas 17/1 e 21/1 Cleiton, Daiara, Josimar
14 4 horas 17/1 Cleiton
15 1 hora 21/1 Cleiton, Daiara, Josimar 16 2/3 hora 2/1 Cleiton, Daiara, Josimar
Desenvolvemos uma metodologia para um plano de aula em três dividida em três momentos: o primeiro para verificar através de experimento científico se o material é condutor ou isolante, e o segundo momento para, através de vídeos mostrarmos as características de materiais semicondutores e supercondutores, feito isso, na terceira etapa explicaremos os conceitos físicos envolvidos.
Para tanto, no primeiro momento faremos um experimento simples e semelhante ao de uma experiência (ANEXO A) de alunos da UNESP [5] (Universidade Estadual Paulista) e que utilizará os seguintes materiais: um pedaço de fio condutor (aproximadamente 30 cm de fio elétrico comum que pode ser encontrado em casa de materiais eletroeletrônicos ou então retirado de aparelhos elétricos ou eletrodomésticos fora de uso); uma pilha comum de 1.5 Volts; uma lâmpada de lanterna de 1.5 Volts (lâmpadas de lanternas); parafusos e arruelas (sucatas eletroeletrônicas); Uma base amadeirada; Vários tipos de materiais poderão ser usados para testar suas condutividades: Metais (pregos, pedaço de fios elétricos, arame, clipes, etc.), Plásticos (réguas escolares, sacos de lixo, sacolas de supermercado, parte exterior de canetas, borrachas de apagar, etc.), objetos caseiros (cinzeiros, pedras, etc.), tecidos (vegetal, animal, de algodão). Para realizar a experiência deveremos seguir os seguintes passos ou métodos:
Descasque as pontas de dois pedaços de fios elétricos e ligue uma numa extremidade da pilha, por exemplo, pólo positivo, Figura 1.
Figura 1: 2º passo.
Ligue outro pedaço de fio à outra extremidade da pilha, (se você usou a sugestão acima agora será o negativo) e a um pólo de uma lâmpada, por exemplo, amarre na rosca da lâmpada. Veja Figura 2;
Figura 2: 3º passo.
Encoste a extremidade do fio que está livre no outro contato da lâmpada (ponto metálico na parte de baixo da lâmpada), para testála. Ela deve acender;
Coloque o fio que está encostado no ponto metálico sobre uma mesa. Sem que encoste na lâmpada;
Sobre o fio que está na mesa, coloque algum dos materiais escolhidos;
Sobre o material que está sobre o fio encoste o contato da lâmpada (ponto metálico no fundo da lâmpada), para fechar a conexão do circuito. Vide Figura 3;
Figura 3: Fechando o circuito
Verifique se os contatos estão bem feitos e então verifique se a lâmpada acendeu ou não;
Podem-se fazer algumas adaptações como, por exemplo, fixar os fios em uma superfície amadeirada, ligar uma placa metálica a um dos fios de modo que coloque o objeto a ser testado sobre a placa, ao invés de colocar a ponta de um dos fios, criar um encaixe metálico para a pilha para evitar ter que fixar fios utilizando fita. O mais importante é que ao fechar o circuito com um condutor a lâmpada acenda.
A partir do experimento científico observamos que a lâmpada acende quando fechamos o circuito com metais, água pura, e outros. E não acende quando utilizamos plásticos, e quando utilizamos fita adesiva na placa metálica que antes fechava o curto, o que permite relatar que a placa é condutora e a fita isolante.
No segundo momento utilizaremos vídeos com materiais, serão apresentados à turma 5 vídeos que mostram materiais condutores, semicondutores, isolantes e supercondutores. O primeiro vídeo [1] ainda fala sobre materiais condutores e isolantes e foi feito pela Mad Science (Uol) com duração de 4 minutos. O segundo vídeo [10] fala sobre semicondutores, suas utilizações em chips (ferroelétricos) e sua fabricação no Brasil a partir de 2011 e tem duração de aproximadamente 2 minutos. O terceiro vídeo [9] é bem pequeno, com apenas 9 segundos e mostra objetos flutuando. O quarto vídeo [8] mostra um experimento com supercondutores, com a presença de um supercondutor e um ímã, com duração de aproximadamente 1,5 minutos. E por último um vídeo de 4,5 minutos que fala sobre o trem supercondutor Maglev [3].
No segundo momento da aula, com os vídeos, teremos cinco etapas.
A primeira com o vídeo da Mad Science, veremos que a apresentadora Marta Meteoro utiliza a Bobina de Tesla para testar se alguns materiais conduzem ou não eletricidade, ela mostra que objetos como o pára-raios feito de cobre, um prato de metal, lâmpada com gás e de néon e a água (com corante e do mar) conduzem eletricidade, já o planeta Terra feito de borracha e água pura não conduzem. Depois com a ajuda de sua colega Fabiônica forma um circuito fechado composto da seguinte maneira:
Bobina de Tesla, lâmpada com luz cor-de-rosa, Fabiônica, lâmpada de cor verde e Marta Meteoro que está segurando a Bobina de Tesla. A partir deste experimento verificarmos que as duas lâmpadas acendem e que portanto o ser humano também conduz eletricidade.
O segundo vídeo [10] é uma reportagem feia pelo Jornal da Globo
(Rede Globo de Televisão) e aborda a construção de uma fábrica de chips em São Carlos no estado de São Paulo no segundo semestre de 2011. Retrata ainda as diferenças e vantagens entre os chips convencionais magnéticos e os ferroelétricos, que serão construídos, lembrando que essa tecnologia está diretamente ligada aos materiais semicondutores.
É importante destacar que os LEDs estão presentes nos relógios digitais, semáforo e são responsáveis por transmitir informações de controles remotos, iluminarem relógios, informar quando suas ferramentas estão ligadas. Se tratando de um agrupamento de LEDs, eles podem formar imagens em uma tela de televisão gigante ou lâmpada incandescente normal. As vantagens deles com relação a outros tipos de lâmpadas é que não possuem filamentos que se queimam, mas sim o brilho dela lentamente vai se dissipando (após mais de 20000 horas), não ficam muito quentes e são iluminados somente pelo movimento de elétrons em um material semicondutor que é aquele com resistência elétrica maior do que a dos materiais condutores e menor do que as dos isolantes. Como exemplos têm-se o carbono, o germânio e o silício.
O terceiro vídeo mostra objetos voadores que parecem se mover através de mágica. O quarto, um vídeo contendo um experimento em que um determinado material inicialmente atrai um ímã e quando é acrescentando nitrogênio líquido que certamente o congela a uma temperatura baixíssima faz com que este ímã flutue sobre ele, com este vídeo notamos o que realmente aconteceu com os materiais da etapa anterior.
Na última etapa vemos um vídeo sobre o trem supercondutor
Maglev, que possui vantagens sobre os outros meios de transporte por ser econômico (gastando apenas 25 kJ de energia por km, enquanto o avião gasta 1200 kJ e o ônibus comum 400 kJ), além de ser rápido e confortável.
Neste vídeo percebemos que a flutuação se dá pela repulsão entre a bobina magnética e os ímãs supercondutores. E que os materiais em seu estado natural podem não demonstrar supercondutividade, mas em baixas temperaturas estes podem conduzir corrente elétrica sem resistências e nem perdas de energia.
No terceiro momento explicam-se os conceitos envolvidos. Um material é condutor quando os elétrons podem se locomoverem com facilidade, pois possuem uma fraca ligação com o núcleo do átomo, o que permite explicar o que ocorreu com os metais no experimento envolvendo a lâmpada: os elétrons por “andarem” livremente fizeram com que fluísse uma corrente elétrica e, por conseguinte que a lâmpadaacendesse.
Um material isolante pode ser considerado o inverso de um condutor, pois os elétrons estão bastante ligados ao núcleo do átomo, desta forma dificilmente se libertam. Com relação ao experimento, se não há elétrons liberados pelo material, no caso os plásticos, o circuito não é fechado porque não há movimento de elétrons, consequentemente não há corrente elétrica e a lâmpada não acende.
Os semicondutores têm tido um impacto incrível em nossa sociedade. Eles são encontrados nos chips de microprocessadores e em transistores. Tudo que é computadorizado ou que utiliza ondas de rádio depende dos semicondutores, assim seu poder tecnológico é gigantesco. Atualmente, a maioria dos chips semicondutores e transistores são produzidos com silício.
O diodo é o dispositivo semicondutor muito simples, mais muito importante e partiremos dele para explicar os semicondutores. O silício é comum, sendo o principal elemento na areia e no quartzo, por exemplo. Na tabela periódica ele está ao lado do alumínio, abaixo do carbono e sobre o germânio, que também é um semicondutor. Eles possuem uma propriedade especial em sua estrutura de elétrons, cada um possui quatro elétrons em sua órbita mais externa. Isso permite que eles formem bons cristais. Os quatro elétrons formam ligações covalentes perfeitas com quatro átomos vizinhos, criando um reticulado. O cristal do carbono, por exemplo, é o diamante, no silício a forma cristalina é uma substância metálica prateada. Em um reticulado de silício, todos os átomos do silício ligam-se perfeitamente a quatro vizinhos, não deixando nenhum elétron livre para conduzir a corrente elétrica. Isso torna um cristal de silício isolante, ao invés de condutor
Figura 4: reticulado de silício.
Apesar de os cristais de silício terem aparência metálica, mas não o são. Para fazer um reticulado de silício conduzir eletricidade é necessário dopá-lo, misturando pequenas quantidades de impurezas a um cristal de silício.
As impurezas utilizadas são do Tipo N (fósforo ou arsênio) ou do
Tipo P (boro ou gálio). O fósforo e o arsênico possuem cinco elétrons na camada de valência, e ficam fora da posição no reticulado de silício, e uma pequena quantidade de impurezas é suficiente para permitir a passagem da corrente elétrica. Chama-se tipo N porque o elétron possui carga negativa.
O gálio e o boro possuem apenas três elétrons externos cada um e quando misturados no reticulado de silício, formam lacunas na estrutura e um elétron do silício não tem a que se ligar. A ausência de elétron cria o efeito de uma carga positiva, daí o nome tipo P. As lacunas podem conduzir corrente. Uma lacuna aceita muito bem um elétron de um vizinho, movendo a lacuna em um espaço.
Em ambos os casos um cristal de silício deixa de ser bom isolante a um condutor viável, mas não excelente, por isso um semicondutor.
Um diodo permite, em condições normais, que a corrente flua em apenas uma direção. Se estivermos à situação mostrada na Figura 5, os elétrons livres no silício tipo N e as lacunas no tipo P são repelidas pelo terminal negativo e positivo da bateria respectivamente, e na junção os elétrons se encontram e acabam por preencherem as lacunas, dando início a corrente. Um dispositivo que utiliza pilhas, por exemplo, normalmente contém um diodo que o protege se você inserir as pilhas ao contrário, respeitando claro, um limite de tensão.
Um disco supercondutivo na parte inferior, resfriado por nitrogênio líquido, causa a levitação de um imã qualquer. O magneto flutuante induz uma corrente e, portanto, um campo magnético no supercondutor, e os dois campos magnéticos se repelem para fazer levitar o magneto. É isso que ocorre nos casos de flutuação, mas na verdade o imã está apoiado sobre uma força. Outra propriedade de um supercondutor é que, assim que ocorre a transição do estado normal para o estado supercondutor, os campos magnéticos externos não podem penetrá-lo. Esse efeito é chamado de efeito Meissner e tem implicações para a fabricação de trens de alta velocidade. Nos supercondutores os elétrons deslocam-se através deles sem encontrar resistência.
A estrutura atômica da maioria dos metais é reticulada, semelhante à
Figura 5. Nos metais, os elétrons são fracamente ligados, de modo que os elétrons podem se mover livremente dentro da rede: é por isso que os metais são ótimos condutores de calor e eletricidade. Entretanto a medida que os elétrons se movem através de um metal no estado normal, colidem com os átomos e perdem energia na forma de calor. Em um supercondutor, os elétrons se deslocam em pares, um atrás do outro, e se movem rapidamente entre os átomos, com uma menor perda de energia.
O elétron, que possui carga negativa, se move através do espaço entre duas fileiras de átomos com carga positiva e por eles é puxado. Essa distorção atrai um segundo elétron para se mover atrás dele. Esse segundo elétron encontra menos resistência, quase como um automóvel que segue um caminhão na estrada encontra menos resistência do ar. Os dois elétrons desenvolvem uma fraca atração, se deslocam juntos em um par e encontram uma menor resistência total. Em um supercondutor, os pares de elétrons estão se formando, quebrando e formando-se de novo constantemente, mas o efeito final é que os elétrons fluem com pouca ou nenhuma resistência. A baixa temperatura facilita o emparelhamento dos elétrons.
O futuro da pesquisa da supercondutividade está em encontrar materiais que possam se tornar supercondutores à temperatura ambiente. Assim que isso acontecer, todo o mundo da eletrônica, da energia elétrica e dos transportes passará por uma revolução.
12. Reflexões, Resultados esperados e perspectivas futuras
A partir de a metodologia elaborada esperamos permitir aos alunos compreender a temática e objetivos propostos através da prática e o mais interessante sem gastar muito, esta atividade com experimento é ideal para ser feita em grupos. Além disto, utilizamos mídias tecnológicas como ferramenta intermediária no processo de ensino-aprendizagem para permitir que os alunos conheçam materiais semicondutores e supercondutores, bem como algumas de suas propriedades que não poderiam ser vistas em sala de aula, especialmente no caso do supercondutor que precisa ser congelado a baixíssimas temperaturas, e levar nitrogênio líquido para uma sala comum não é seguro.
Materiais audiovisuais têm sido destacados como importante ferramenta de apoio para o ensino, podendo ajudar o professor a apresentar algum conceito mais abstrato para seus alunos, aplicações do conhecimento aprendido, importância do mesmo ou até mostrar um experimento cuja montagem em sala de aula seria difícil ou inviável.
Não são poucos os filmes disponíveis no mercado que tratam de conceitos da Física, e muitos deles procuram inclusive serem auto-
vários conteúdos de Física	
suficientes na comunicação direta com os alunos, ou seja, autoexplicativos, desconsiderando a necessidade da presença do professor. São baseados numa longa série de idéias, onde alguns buscam desenvolver
Quando o vídeo traz o modelo de aula pronto, restam duas alternativas ao professor: adaptar sua estrutura de aula ao material audiovisual, ou adaptar o vídeo para o conteúdo de sua disciplina e o seu próprio modelo de aula. Muitas vezes os vídeos são apenas um instrumento de trabalho pré- feitos e pouco flexíveis, e adaptá-los a realidade daquele processo de ensino e aprendizagem podem trazer diversas possibilidades na sala de aula, motivando alunos em busca do conhecimento científico e tornando-os mais conhecedores de sua realidade tecnológica.