Baixe Ensino Prático de Física: Aplicação do Princípio de Piaget ao Motor de Corrente Contínua e outras Trabalhos em PDF para Máquinas Elétricas, somente na Docsity!
CONSTRUINDO UM MOTOR ELETRICO DE CORRENTE
CONTINUA COMO APRENDIZAGEM ATIVA DA LEI DE
FARADAY
A. J. SANTIAGO∗, A. F. MACHADO, C.E. SILVA, L. PINHEIRO, A.D. TAVARES JR.
Instituto de Física, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil
Resumo
Apresentamos uma proposta de ensino na área de eletromagnetismo (motor de corrente continua - cc) com foco nas atividades práticas segundo a conceituação de Piaget, aqui extrapolada para incluir os objetos em ambientes virtuais. Montamos em sala de aula um motor elétrico de cc, para discutir conceitos da teoria eletromagnética. Realiza-se a modelagem física e sua simulação em computador utilizando o software educacional Modellus. Em ambas as situações, no laboratório didático com o objeto de estudo real, e no laboratório virtual com a simulação do objeto, os participantes mostram intenso interesse, ilustrando as potencialidades da aprendizagem ativa.
Palavras-chave: Ensino de física; Aprendizagem ativa; Experimentos em sala de aula; Software educacio- nal Modellus; Eletromagnetismo.
∗E-mail: aajsantiago@uol.com.br
Abstract
We present a teaching proposal on electromagnetic phenomena (DC motor) with a focus on practical activities according to the concept of Piaget, here extrapolated to include the objects in virtual environments. We set up in the classroom an electric DC motor to discuss concepts of electromagnetic theory. We carried out the physical modeling and its computational simulation using the Modellus educational software. In both situations, the teaching laboratory with the real object of study, and in the virtual laboratory with the simulation of the object, the participants showed an intense interest, illustrating the potential of the active learning.
Keywords: Physics teaching; Active learning; Experiments in the classroom; Educational software Modellus; Electromagnetism.
1 Introdução
Diversos estudos apontam que atividades práticas são fundamentais para o ensino de ciências, por exemplo Krasilchik, 2004; Ern & Aires, 2014; Zanon & Freitas, 2007; Coquidé, 2008; e Henriques, Prado & Vieira, 2014. Apesar disso, tem sido constatado que estas atividades estão praticamente ausentes no cotidiano da maioria das escolas, onde os recursos educativos mais utilizados são o livro e o caderno de anotações, apesar de não mais despertarem o interesse entre os participantes. Este fato é particularmente preocupante quando ocorre nos primeiros contatos com a ciência, nos níveis mais básicos, pois é o momento em que se estabelecem os fundamentos da construção de uma visão científica, e de sua forma de entender e explicar o mundo (Andrade & Massabni, 2011). A relevância destas atividades também tem sido reconhecida pelo governo brasileiro, como podemos observar nos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) para o ensino de ciências. Os PCN de ciências naturais deixam claro que são procedimentos fundamentais para o ensino da área aqueles que permitem a investigação, a comunicação e o debate de fatos e ideias, possibilitados pela observação, experimentação, comparação, estabelecimento de relações entre fenômenos ou fatos. Do mesmo modo, os PCN valorizam atitudes que podem naturalmente surgir nas atividades práticas, tais como: o incentivo à curiosidade, a interação social, o respeito à diversidade de opiniões, a persistência na busca de informações e de provas obtidas por meio de investigação (Brasil, 2000). Assim, a observação e a experimentação são indicadas pelos PCN como estratégias didáticas que auxiliam na obtenção de informação. É importante lembrar, contudo, que os PCN perderam a oportunidade de formular uma crítica fundamentada à visão puramente empirista-indutivista de ciência, e assim, podem conduzir os professores a uma interpretação errônea sobre a natureza da ciência (Pino, Ostermann & Moreira, 2005). Há que se notar ainda, que o jovem da geração atual, por muitos chamada de geração Y, o qual nasceu imerso num ambiente tecnológico, com todo tipo de informação literalmente disponível na palma de sua mão, se recusa a participar de uma sala de aula behaviorista. Ele quer interagir, ser autor da construção
pois a manipulação de parâmetros, que lhe é intrínseca, permite experimentar diferentes variáveis para situações do mundo real, oferece comandos que auxiliam no estabelecimento de relações de proporção, tempo, distância e deslocamento, aspectos fundamentais para a compreensão e uso da linguagem da ciência física, não se limitando, porém, nem a esta, nem àqueles, mas operando com fronteiras móveis articuladas pelas descobertas a partir da refutação ou da corroboração das hipóteses formuladas e testadas para cada fenômeno apreciado. Recentemente tem sido destacada a relevância e a atualidade de proposta de ensino que coloque o ‘estudante em ação’, com o uso de metodologias que podem ser chamadas de aprendizagem ativa (Henriques, Prado & Vieira, 2014). Acreditamos que a atividade prática tanto em laboratório físico, através da experimentação, quanto no laboratório virtual, através da simulação, constitui importante ferramenta para a aprendizagem ativa. É neste contexto que se apresenta, em seguida, um exemplo concreto de aula envolvendo a metodologia da atividade prática, que envolve tanto a experimentação com o objeto físico, real, quanto a simulação com o objeto virtual, e que pode proporcionar uma aprendizagem ativa. O objetivo é discutir o motor de corrente contínua por meio de atividades práticas com enfoque na aprendizagem ativa. Na seção 2, apresenta-se a teoria fundamental envolvida, a seção 3 e a 4 apresentam o experimento e o motor construído em sala de aula, respectivamente. A seção 5 traz a modelagem e a simulação. Finaliza-se com as discussões na seção 6.
2 O REFERENCIAL TEÓRICO: LEI DE FARADAY
No início da aula prática, aborda-se de forma resumida, o contexto histórico que envolveu o desenvol- vimento do eletromagnetismo, como, por exemplo, a necessidade de transmissão de energia por longas distâncias, o aumento da potência elétrica transmitida, perdas, entre outros. A discussão inicia-se com o experimento de Hans Christian Oersted, que mostrou como os fenômenos elétricos e magnéticos estão relacionados. Utilizando-se inicialmente de um fio condutor retilíneo, por onde passava uma corrente elétrica, Oersted posicionou sobre esse fio uma agulha magnetizada, livremente orientada na direção norte-sul.Fazendo passar uma corrente no fio, observou que a agulha sofria um desvio em sua orientação, e que esse desvio era perpendicular ao fio. Ao interromper a passagem da corrente elétrica, a agulha voltou a se orientar na direção norte-sul. Assim, ele concluiu que a corrente elétrica no fio se comportava como um imã colocado próximo à agulha magnetizada. Ou seja, a corrente elétrica estabeleceu um campo magnético no espaço em torno dela, e esse campo foi o agente responsável pelo desvio da agulha. Pode-se concluir, então, que as cargas elétricas em movimento criam numa região do espaço próximo a ela, um campo magnético. Desta forma, o surgimento de um campo magnético, como resultado da passagem da corrente elétrica, foi exaustivamente explorado e divulgado por Oersted, em meados do século XIX. Essa descoberta reflete a evolução do longo processo histórico de estabelecimento e consolidação do eletromagnetismo (Chaib & Assis, 2007), e foi fundamental para o atual entendimento do eletromagnetismo, em que os fenômenos elétricos e magnéticos são vistos de forma unificada. A Figura 1 ilustra uma montagem da experiência de Oersted.
Figura 1: Experiência de Oersted.
Pouco mais de uma década após a descoberta de Oersted relacionada à produção de efeitos magnéticos por correntes elétricas, o inglês Michael Faraday, no início do século XIX, teve a curiosidade de realizar experimentos que pudessem resultar no efeito inverso, ou seja, a produção de uma corrente elétrica a partir da aplicação de um campo magnético. Realizou vários experimentos, que consistiam basicamente em circular corrente em uma bobina, produzindo assim um campo magnético, e pode verificar que uma corrente elétrica poderia ser induzida em outra bobina colocada nas proximidades da primeira. Experimentos com bobinas concêntricas, ou com apenas uma bobina conforme ilustrado na Figura 2, entre outras configurações, foram concebidos, e em nenhum destes, Faraday pôde confirmar a geração de corrente elétrica a partir de um campo magnético estacionário. Observou, no entanto, a perturbação na agulha magnetizada de seu galvanômetro apenas durante os breves intervalos de tempo em que ligava e desligava a bobina alimentada pela bateria. Estava assim, Faraday, diante de uma das grandes descobertas da humanidade que, propriamente interpretada, implicaria no efeito, atualmente bem estabelecido, de um campo magnético variável no tempo induzir, em sua vizinhança, um campo elétrico. Esse fenômeno é a base do funcionamento de máquinas elétricas, motores e transformadores. Esse efeito também foi demonstrado simultaneamente, e de forma independente, por Joseph Henry nos Estados Unidos e por isso é também denominado por alguns autores como lei de Faraday-Henry. Neste texto, será adotada a terminologia “lei de Faraday”, que é a mais comumente utilizada na literatura.
Figura 2: O ponteiro do amperímetro A sofre uma deflexão quando o ímã está em movimento em relação à bobina.
A lei de Faraday estabelece que uma força eletromotriz é gerada em um circuito elétrico fechado, submetido a um fluxo magnético variável no tempo. Esta lei, pode ser expressa em termos dos campos,
Tabela 1: Convenção de sinais para a indução eletromagnética.
ΦB d dtΦB f em sentido da corrente induzida
2.1 LEI DE LENZ
O sinal negativo da Eq. (2) não foi determinado por Faraday, ele é devido ao trabalho de Lenz, e ao que se chama de lei de Lenz: “a variação do fluxo magnético através de uma espira cria nela uma corrente elétrica induzida, de modo que essa corrente crie um campo que se oponha a variação do fluxo através da espira”. Essa lei, então, diz que a fem gera uma corrente que tende a se opor à variação do fluxo, estabelecendo o sentido da corrente induzida.
A lei de Lenz reflete o princípio de conservação de energia em circuitos nos quais há corrente induzida. Com efeito, se o lado direito da Eq. (2) tivesse sinal positivo, um aumento do fluxo tenderia a aumentar ainda mais o fluxo, levando a um fluxo infinito e, portanto, a uma corrente infinita, a partir do simples movimento do magneto na direção da espira. Nota-se ainda, que o sinal da equação está relacionado à conservação de energia, mas a lei de Faraday não é consequência da conservação de energia, ela é uma lei experimental independente.
A aplicação da lei de Lenz a um circuito condutor colocado em campo magnético pode ser feita de acordo com os seguintes passos:
- define-se a direção positiva para o vetor área ~S;
- admite-se o campo uniforme e efetua-se o produto escalar ~B e ~S para determinar o sinal do fluxo ΦB;
- determina-se a taxa de variação do fluxo dΦB/dt que leva às três possibilidades: (dΦB)/dt < 0, f em > 0; (dΦB)/dt = 0, f em = 0; (dΦB)/dt > 0, f em < 0,
- determina-se o sentido da corrente induzida com base na regra da mão direita: “com o polegar apontando na direção de ~S, fechamos os dedos ao redor do eixo que define a direção de ~S. A corrente induzida segue mesma direção que nossos dedos apontam ao se encurvarem, se a fem for maior que zero, e na direção oposta se f em < 0”.
A Tabela 1 resume a convenção de sinais para a indução eletromagnética.
Figura 4: Princípio de funcionamento de um motor de corrente contínua. Quando circuito é ligado a uma fonte de energia elétrica, a corrente elétrica que atravessa a bobina faz surgir um campo magnético que interagirá com o campo magnético externo, surgindo, em consequência, um torque que irá fazer a bobina girar.
3 EXPERIMENTO PARA APROPRIAÇÃO DO PRINCÍPIO DE
FUNCIONAMENTO DE UM MOTOR DE CORRENTE CON-
TÍNUA
Os motores elétricos fazem parte de uma infinidade de equipamentos, desde pequenos motores que funcionam com pilhas até os grandes motores de máquinas industriais, por exemplo.
Motores são transdutores que convertem energia elétrica em energia mecânica. Nesta função, eles fazem parte de uma grande quantidade de equipamentos que encontramos no dia a dia. Atualmente, com a união cada vez maior da eletrônica com a mecânica, e o desenvolvimento de dispositivos mecatrônicos, os motores têm aparecido em quantidade cada vez maior e numa variedade de tipos até então nunca vistos.
A ideia de se obter energia mecânica a partir da energia elétrica, criando-se assim o primeiro motor de corrente contínua surgiu a partir dos trabalhos de Faraday. No entanto, naquela época, as fontes de energia elétrica eram limitadas o que fez com que este motor apenas se tornasse uma curiosidade de laboratório sem nenhuma aplicação prática imediata. Os motores modernos se baseiam no princípio de que quando uma corrente elétrica percorre um condutor (um fio metálico, por exemplo) imerso em um campo magnético externo surge uma força perpendicular ao fio que tende a movê-lo. Se no lugar de um simples fio condutor for usada uma bobina com muitas espiras, apropriadamente disposta sobre um eixo e este sobre mancais, se o conjunto estiver imerso em um campo magnético uniforme externo, quando a bobina for percorrida por uma corrente elétrica está poderá girar devido à interação do campo magnético da bobina com o campo magnético uniforme externo. Esta ideia pode ser melhor entendida com o auxílio da Figura 4.
Quando a corrente flui pela espira cria-se em torno desta um campo magnético. Este campo magnético
O torque sobre a espira é dado por ~τ = I~S × ~B, (3)
cujo módulo é τ = ISB sin(θ), onde θ é o ângulo entre o vetor ~B e a normal ao plano da espira, e S = ab é a área definida pelos lados a e b da espira. É a variação do ângulo θ, quando a espira gira, a responsável pela variação do fluxo magnético, como vimos na Seção 2. Se em vez de uma única espira, tivermos várias espiras (como é o caso dos motores elétricos que estamos discutindo), temos uma bobina e, neste caso, o efeito do torque é multiplicado pelo número de espiras. Na prática esta bobina está ligada a um dispositivo mecânico que irá transformar a energia elétrica da bobina em energia mecânica realizando algum tipo de trabalho – um motor elétrico.
4 MOTOR ELÉTRICO
Geralmente, a bobina acima referida é enrolada sobre um cilindro que é montado sobre um eixo capaz de girar sobre mancais (veja Figura 6). Neste eixo é colocado um par de contatos metálicos, sobre um cilindro isolante, em forma de uma casca cilíndrica que formarão os comutadores e que estarão ligados aos terminais da bobina. Outros dois contatos fixos (as escovas) fazem contato elétrico com estas cascas cilíndricas de modo a transferir energia elétrica para a bobina. A ligação destes comutadores se dá de tal forma que em meia-volta da bobina, eles alimentam-na de maneira que a corrente circula num sentido enquanto que na outra meia-volta, com a inversão dos comutadores, a corrente na bobina circula na direção contrária. Desta maneira, o comportamento mecânico do dispositivo pode ser explicado da seguinte maneira:
(a) quando se aplica uma diferença de potencial entre os comutadores, através das escovas circulará uma corrente elétrica num sentido tal que tende a movimentar a bobina em meia-volta, num sentido que depende justamente do sentido de circulação dessa corrente;
(b) ao girar, a bobina alcança a posição de repouso, meia-volta depois. Os comutadores estão agora em uma nova posição tal que os polos, positivo e negativo da fonte de alimentação encontram-se invertidos em relação ao caso anterior, e assim, a corrente inverte seu sentido de circulação e, consequentemente, ocorre a inversão do campo magnético;
(c) o resultado disso, é que a posição que a bobina alcançou não é mais a posição de repouso, já que surge uma nova força que tende a fazê-la continuar girando. A nova posição de repouso estará agora meia-volta adiante;
(d) a bobina gira de tal modo que alcança novamente a posição de repouso, mas ao chegar próximo dela, novamente entram em ação os comutadores e a corrente é novamente invertida. Uma nova posição de repouso aparece. Desta maneira, a nova posição de repouso estará novamente meia-volta a frente e a bobina continuará girando. É fácil perceber que a bobina nunca irá parar de girar enquanto houver disponibilidade de corrente para alimentar o circuito e obtém-se com isso o movimento giratório continuo da bobina.
Figura 6: Motor de corrente contínua (didático), construído pelos alunos no laboratório de ensino.
A força que aparece no eixo desse tipo de motor depende de diversos fatores tais como o número de espiras da bobina, a intensidade do campo magnético, a intensidade da corrente, etc. Na Figura 6 pode-se ver o motor que foi construído em aula no laboratório didático. Uma discussão detalhada de como se pode montar um motor deste tipo, encontra-se, por exemplo, em (Gaspar, 2004).
Como pode ser visto em aula, o funcionamento de um motor elétrico de corrente contínua desse tipo, é bem simples. - Uma fonte de energia elétrica (pilhas, bateria, etc.) fornece corrente contínua a um comutador, uma peça de metal (bom condutor, no caso cobre) que está dividida em dois anéis, onde cada anel está ligado a um fio, que por sua vez, está ligado a um dos polos da bateria, um ao polo negativo e outro ao polo positivo.
Em contado com a superfície dos anéis do comutador estão dois fios de cobre que são extensões da bobina, a qual envolve um cilindro feito de material condutor. Este conjunto (cilindro envolto pela bobina) está na região de um campo magnético gerado por um ímã. Então, quando a corrente fluir pela bobina, criará um campo magnético que irá interagir com o campo magnético gerado pelo ímã, resultando em dois vetores de força magnética (veja Figura 6), de mesma magnitude e direção, porém com sentidos opostos e linhas de ação distintas, o que faz a bobina entrar em movimento. Esse movimento mecânico é transmitido através de eixos e poderá ser usado para realizar alguma coisa útil, como mover as pás de um ventilador caseiro, por exemplo.
Naturalmente, durante a montagem do experimento em sala de aula, pode se explorar ao máximo a possibilidade de interação entre o aluno e o objeto de aprendizagem, permitindo ao aluno, por exemplo, alterar o padrão de funcionamento do equipamento e observar variações nos efeitos e, desta forma, terem meios de estabelecer relações de causa e efeito. As possibilidades são diversas, mas um exemplo prático é a possibilidade de variar o sentido do campo magnético ao realizar a mudança da posição dos imãs o que traz como consequência a alteração no sentido de rotação do motor.
Tabela 2: Tabela de siglas utilizadas na modelagem.
Siglas Significado C Comprimento da espira L Largura da espira A Área da espira N Número de espiras i Intensidade de corrente r Resistência t Tempo considerado Fi Densidade do fluxo do campo magnético B Intensidade do fluxo do campo magnético F Resultante das forças elétrica e magnética T Torque gerado pelas forças fem Força eletromotriz U DDP gerada pela força eletromotriz Pt Potência total Pu Potência útil N Rendimento
Figura 7: Tela de apresentação final da modelagem.
Figura 8: Quadro de dados de uma simulação típica (na notação acima, os pontos correspondem à notação decimal).
visualizados na forma de animação, socializando dúvidas e conclusões.
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A ideia do estudo do motor de corrente contínua foi concebida após os alunos, participantes do Projeto Jovens Talentos, relatarem que nas suas respectivas unidades escolares, os professores estavam abordando o eletromagnetismo como tema das suas aulas. Esse projeto é desenvolvido conjuntamente por professores e alunos. Os questionários de avaliação, as opiniões dos alunos e o passo a passo da montagem do equipamento foram divulgados fora daqui (Ferreira, 2017) como parte do trabalho de extensão. A metodologia proposta substitui as aulas expositivas por atividades práticas, engendradas para levar os estudantes a projetar, construir, gerar e observar fenômenos físicos, refletir sobre eles e discutir com seus colegas e com o professor até que o objeto, o conceito em foco, seja efetivamente aprendido. A abordagem realizada tem sido chamada de aprendizagem ativa e encontra-se fundamentada no trabalho de diversos autores que mostram que as interações mútuas entre os estudantes, e entre eles e os professores, são fundamentais para uma boa formação (Machado et al., 2014; Valente 1998). As atividades práticas se desenvolvem num processo totalmente dinâmico, e são mecanismos que aprimoraram os processos de ensino e aprendizagem, tornando-os mais participativos, interativos e socialmente realizados, atraindo significativamente a atenção dos alunos para o objeto de estudo e as ciências envolvidas. Outro aspecto a ser ressaltado é o papel dos docentes neste novo processo de ensino. O professor estabelece em conjunto com a classe, o projeto de montagem do dispositivo que será o instrumento de aprendizagem. Nesse ponto, estabelece equipes de trabalho e sugere pesquisas, contextualiza, mostra as aplicações etc... O dispositivo é montado em sala de aula com a participação direta dos estudantes e lá é testado. Com o dispositivo em funcionamento, sintetiza-se a física envolvida e lapidam-se os conceitos, muitos dos quais podem ser imediatamente testados no experimento real, ou no computador uma vez que o software permite a simulação do mesmo dispositivo. No caso de apenas o laboratório virtual estar disponível, os professores utilizam o computador como uma ferramenta para a realização de atividades, criar projetos que motivem ao mesmo tempo em que desafiam os aprendizes a buscarem novas soluções. Nesse contexto, explora-se o trabalho do professor
Finalmente, gostaríamos de chamar a atenção do leitor para o fato de que a metodologia ativa utilizada não é a de instrução pelos pares que pressupõe uma sondagem de conhecimentos prévios dos estudantes. Embora contenha elementos de instrução por pares nos trabalhos de grupo, a metodologia ativa utilizada é a proposta originalmente por William James (1890-1971) e John Dewey (1922-1979) no final do século XIX, e busca um método de ensino focado no aluno. A aprendizagem ativa ocorre quando o aluno interage com o assunto em estudo e é estimulado a construir o seu conhecimento, ao invés de receber passivamente a informação do professor.
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