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Universidade Federal do Espírito Santo
Centro de Ciências Agrárias
Departamento de Física e Química
Juliana Souza, Berenaldo Antonio
Plano de aula – Conceitos básicos de Eletricidade
Objetivos - Compreender conceitos básicos de eletricidade. Entender como funciona a cobrança de energia elétrica.
Conteúdo - Eletrodinâmica: ddp, corrente elétrica, resistência e potência elétrica.
Tempo estimado - Cinco aulas.
Anos - 3º Ensino Médio
Introdução
A todo tempo nos depararmos com equipamentos físicos ou virtuais, que nos surpreendem pela utilidade e facilidade de acesso. Desde as primeiras experiências com a corrente elétrica, o avanço tecnológico aprimora seu uso e descobre um mundo aplicações. No entanto, mesmo o mais complexo equipamento eletrônico, tem como base os conceitos mais simples de eletricidade vistos em sala. Tensão, resistência, corrente elétrica e potência são alguns dos conceitos que serão explorados nesse plano. Os conceitos de eletricidade têm de ser expostos de forma gradual para que haja uma melhor compreensão dos alunos.
Desenvolvimento
1ª etapa: Elétrons A primeira aula iniciamos abrindo uma discussão em torno do tema eletricidade , fazendo as seguintes perguntas - qual sua importância e suas principais aplicações? Essa parte da física é muito presente no cotidiano de todos os alunos, e, por isso, respostas como redes elétricas das ruas, redes residenciais e eletroeletrônicos vão aparecer aos montes. Assim explicamos para os alunos que a energia elétrica é um dos alicerces da sociedade moderna. Conseguimos notar sua vital importância quando ela nos falta por algum motivo. Compreender conceitos básicos de sua funcionalidade pode trazer benefícios para o cidadão, para os meios de produção e para o meio ambiente. Então fazemos uma breve revisão sobre o elemento da estrutura fundamental da matéria: o átomo. O modelo de Bohr é o mais aceito para explicar os fenômenos observados até hoje. Trata-se de um pequeno núcleo composto por prótons (carga positiva) e nêutrons, cercado por elétrons (carga negativa), que se movimentam intensamente em suas órbitas. Essa característica dinâmica dos elétrons é de fundamental importância na eletricidade, pois serão essas partículas as responsáveis pelo fluxo de cargas nos dispositivos elétricos.
2ª etapa: Materiais condutores e corrente elétrica
Revisada a estrutura atômica, começaremos falando dos materiais condutores, em especial os metais. Essa classe de elementos naturais destaca-se por conduzir bem a eletricidade, além de outras características funcionais como condução de calor e brilho. Os elétrons livres na última camada dos metais são os responsáveis pela versatilidade, que os diferenciam de todos os
outros.Para entender o conceito de corrente elétrica, imagine um fio metálico que não esteja sendo utilizado. Os elétrons livres encontram-se em movimentos caóticos, pois não há nenhum fator externo que modifique tal estado. Ao se depararem com um estímulo provocado, por exemplo, por uma bateria, os elétrons seguem todos em um sentido preferencial denominado por fluxo ordenado de elétrons ou corrente elétrica. Ao passo que apesar do fluxo de elétrons estar com movimento direcionado para a direita, a corrente elétrica é, por definição, adotada no sentido para a esquerda. Parece um tanto quanto estranho você ter um conceito chamado de corrente elétrica ser adotado no sentido contrário ao fluxo ordenado dos próprios elétrons. Mas isso é assim definido porque quando as experimentações e teorias fundamentais da eletricidade estavam sendo formadas, os estudiosos não conheciam os elementos portadores de cargas, nem a existência dos elétrons.Para eles, a carga fluía de acordo com a natureza das coisas, ou seja, de onde havia mais cargas (polo positivo) para onde havia menos cargas (polo negativo). Por esse motivo então sempre devemos lembrar que apesar da corrente estar para um lado, o fluxo dos elétrons está para o outro.Para se determinar o valor da corrente elétrica (em Ampéres ), chamamos de intensidade de corrente a relação entre a quantidade de carga que atravessa o condutor dividido pelo tempo no qual ocorre o evento:
I = Q/T
onde Q representa a quantidade de carga medida em Coulombs (C) e , o tempo em segundos (s).
3ª etapa: Explicando a resistência Visto o que é corrente elétrica, agora fica mais fácil ver o que é resistência. O material condutor nem sempre permite a passagem do fluxo de elétrons com total facilidade, mesmo sendo um metal. Em outras palavras, quase todos os materiais condutores apresentam uma propriedade chamada resistência elétrica. O significado mais profundo revela ser uma espécie de oposição à corrente elétrica que provoca o Efeito Joule (transformação de energia elétrica em térmica). O choque entre os elétrons e os átomos do material condutor ou mesmo entre eles mesmos compõe obstáculos que se opõem à livre passagem de corrente. Lâmpadas incandescentes, aquecedores elétricos, prancha de cabelos, ferro de passar, chuveiro elétrico são alguns dos eletrodomésticos que são basicamente compostos por resistores. Essa propriedade resistiva pode ser alterada por: Tipo de material (ρ) : cada um reage de forma análoga, porém com intensidades diferentes quando são submetidos à passagem do fluxo ordenado de elétrons. Essa propriedade recebe o nome de resistividade do material (ρ) e possui valores tabelados experimentados em laboratório. Comprimento (l) : a resistência varia de acordo com o comprimento do elemento condutor. A lógica está na propriedade de condução de corrente através do material, pois quanto mais material ao longo da linha, mais elementos resistivos. Nesse contexto podemos entender que os fios apesar de conduzirem bem a eletricidade, também são elementos resistivos. Uma prova disso é o aquecimento notável dos fios de alguns eletrodomésticos como secador de cabelos, ferro de passar e fornos elétricos. Área de Secção transversal (A ): Trata-se do calibre do elemento condutor. Quanto maior a área de secção, mais espaço os elétrons têm para se distribuir e amenizar a resistência. Fios mais finos apresentam mais resistência devido ao menor calibre para o fluxo de elétrons. É por esse motivo que aqueles dispositivos que apresentam maiores demandas de corrente possuem fios extremamente grossos. Para facilitar a compreensão é possível fazer uma analogia ao tamanho de uma porta: quanto maior sua abertura, ou seja, maior sua área de passagem, menor é a resistência das pessoas para atravessá-la.A relação entre esses fatores gera o que chamamos de resistência do material e pode ser obtida pela fórmula:
R= ρ. l/A (conhecida por Segunda Lei de Ohm)
Potência do Chuveiro: 6000W = 6kW Tempo de uso: ∆t = 20min = 1/3 de hora Valor do kWh: R$ 0, Energia consumida pelo chuveiro: E = P. ∆t = 6kW. 1/3h = 2kWh
Como cada kWh custa R$ 0,30, o valor de cada banho custa R$ 0,60. Somando os tributos, esse valor pode ser próximo de R$ 0,80. A principio pode até parecer barato, mas basta multiplicar esse valor pelo número de vezes que esse fato se repete ao longo do mês. Para aqueles que tomam apenas um banho por dia, o gasto gira em torno de R$ 24,00. O preço assusta quando esse costume se faz duas vezes por dia (R$ 48,00). Agora basta multiplicar isso pelo número de pessoas da casa e pronto, você vai ter idéia do pesado custo nas contas apenas devido ao chuveiro. Agora a reclamação constante dos pais começa a fazer sentido.
5ª etapa: Na prática - O custo mensal de uma conta de luz
Propondo aos alunos que façam uma estimativa do custo mensal da conta de luz de suas casas preenchendo a tabela (anexo folha 5). As potências dos diversos dispositivos elétricos são fornecidas, basta eles colocarem a quantidade e o tempo estimado de uso diário em cada uma de suas casas. Depois de cada valor colocado, basta multiplicar os valores da quantidade, do tempo e da potência para obter a energia consumida por dispositivo. Em seguida, de posse de todos os valores de cada item, basta somar as energias obtidas para obter o consumo total diário. Para se obter o valor da conta mensal estimada, é só multiplicar o valor da energia total por 30, por conta dos dias do mês, depois pelo custo de R$ 0,30 por kWh. Para tornar mais realista a conta, soma-se 25% como forma de tributos.
Avaliação
Uma forma de avaliação seria discutir o custo mensal estimado por cada aluno. Os valores discrepantes vão levantar uma discussão sobre nossa forma de consumo energético. Veja, se por meio das respostas, os alunos conseguiram entender como funciona a cobrança de energia elétrica e compreender conceitos básicos de eletricidade.
