SEQUÊNCIA DIDÁTICA

LABORATÓRIO BASEADO EM VISÃO DE CIÊNCIA

Por Samara Brito, Fábio Oliveira, Cézar Broges e André Barcellos^[1]

                O professor que abordar o tema ondas eletromagnéticas utilizando um laboratório baseado em visão de ciência pode, ou deve, reproduzir um experimento histórico ou quase-histórico. Com essa abordagem é possível levar o estudante a construir uma consciência crítica-científica sem que para isso seja necessário um amadurecimento conceitual muito grande.

                Em nosso projeto propomos ao professor que use a experiência de Hertz para atingir este objetivo. Seria exposto ao estudante alguns fenômenos que evidenciam a possível existência de ondas eletromagnéticas, como, por exemplo, a indução eletromagnética. Depois, dispondo de equipamentos e utensílios semelhantes aos que Hertz dispunha no século XVIII, o estudante é desafiado a demonstrar a existência de ondas eletromagnéticas e a explicar em termos dos conceitos cientificos que a ele são acessíveis.

                É importante que depois desse laboratório o professor conduza uma discussão em torno das questões epistemológicas relevantes ao tema ondas eletromagnéticas. É preciso cuidado para não postular a existência de algo que não é empírico, mas ao mesmo tempo sugerir a existência de ondas eletromagnéticas resolve diversos problemas físicos. Ao final da exposição o professor pode demonstrar a experiência original de Hertz, afim de ressaltar os procedimentos adotados pela ciência em suas descobertas.

                A seguir, citamos trechos um relatório de Frederico Hummel Cioldin da Universidade Estadual de Campinas, como um exemplo do que pode ser construído.

Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP

DISCIPLINA F-609 (TÓPICOS DE ENSINO DA FÍSICA)

RELATÓRIO FINAL

Projeto: Oscilador de Hertz

Aluno: Frederico Hummel Cioldin RA: 060943

xfredcioldin@yahoo.com.br

Orientador: Mônica Alonso Cotta

xmonica@ifi.unicamp.br

Coordenador: José Joaquim Lunazzi

xlunazzi@ifi.unicamp.br

1) Introdução

Esse experimento consiste numa tentativa de reprodução com aparatos modernos do experimento de Hertz com o qual provou de maneira experimental a existência de ondas eletromagnéticas. Com este experimento foi possível o desenvolvimento de uma nova tecnologia de comunicação a distância que foi altamente empregada na Primeira Guerra Mundial, o telégrafo. Inicialmente, Hertz, conduziu experiências com um circuito constituído por uma garrafa de Leyden como condensador, uma bobina como indutância e um faiscador.   Constatou, então, que a cada faísca que se produzia aparecia uma correspondente muito intensa em outra bobina, colocada em frente da primeira. O valor da capacitância era pequeno (a garrafa de Leyden possui pequena capacitância e forte resistência às altas tensões), mas o efeito era notável.

Fig 1: O experimento de Hertz

A proposta para o experimento foi montar um circuito oscilatório, com um pequeno espaço (gap) para a produção de uma faísca forte o suficiente para induzir em um circuito

externo outra faísca, assim provando a existência de ondas eletromagnéticas.

2) Resultados atingidos:

Inicialmente foram feitos inúmeros testes utilizando indutores e capacitores mas melhoramos os resultados em relação ao circuito proposto para tornar o experimento mais compatível com o objetivo didático que visualizamos. Durante uma das montagens o Eng. Pedro Raggio, sugeriu o uso de um faiscador utilizado num experimento didático para os cursos de graduação. Este faiscador, contem uma bobina de ignição do tipo utilizado em carros, capaz de elevar uma tensão de 12VCC para 15kVCC, assim produzindo uma faísca entre os contatos do dispositivo desenvolvido para este experimento. Também o faiscador conta com um disparador e um controle de freqüência para as descargas. Um outro aprimoramento no experimento foi feito utilizando um capacitor variável e para melhorar a percepção dos alunos em uma classe foi usado como receptor um rádio. Pode-se então ouvir a transmissão ou interferência de radiofreqüência quando a faísca é produzida. Como o rádio utilizado tem como fonte de energia quatro pilhas de 1,5V a interferência proveniente da rede elétrica é zero, portanto este efeito é puramente eletromagnético com as ondas produzidas pela faísca. De certa forma, é uma maneira de provar a existência das ondas eletromagnéticas. Como alternativa para aqueles que interessarem em reproduzir este experimento proponho que, em substituição ao faiscador, se utilize uma bobina de carro, um capacitor e um platinado conectados a uma bateria de automóvel, tomando todos os cuidados necessários ao se trabalhar com alta tensão. Utilizando uma sugestão foi encontrado uma forma de baratear e deixar o experimento mais em conta, utilizando um simples circuito com uma central de fogão doméstico(usina de fogão). Com este circuito consegue-se a interferência mas dependendo do modelo de usina usada, não temos o efeito visual da faísca.

3) Fotos do experimento:

Fig 2: Teste do circuito oscilador utilizando capacitores e indutores

Fig 3: Faiscador sugerido para substituição do circuito oscilador

Fig 4: Faísca produzida pelo faiscador.

Fig 5: Novo circuito e o rádio receptor.

Fig 6 e 7: Capacitor variável fechado e aberto respectivamente.

Fig 9: Circuito com a usina.

4) Dificuldades encontradas:

As dificuldades encontradas foram na escolha dos dispositivos para o circuito, pois nenhuma fonte de alta tensão estava disponível para uso e é muito custoso adquirir uma fonte dessas para fins didáticos. Outra questão foi que em simulações a corrente do circuito ultrapassaria 30A, o que poderia causar danos aos aparelhos e possivelmente ao operador. Após a simulação dos circuitos, a maior dificuldade foi encontrar uma fonte de alta tensão para ser utilizada, fonte que foi substituída por uma bobina de carro dentro de um dispositivo faiscador cedido pelo Laboratório de Ensino, possibilitando a produção da faísca. Novamente uma dificuldade surge quando não acontece a indução do circuito externo pela faísca, pois a faísca não é intensa o suficiente para ocorrer indução de uma corrente no arco, e conseqüentemente, sua tensão é insuficiente para ocorrer a ruptura do dielétrico no “gap” do circuito externo. A solução para isso foi um aprimoramento do experimento, utilizando um radio sintonizado em AM e um circuito de radiofreqüência utilizando a bobina do faiscador e um capacitor de capacitância variável em série. Com isso obtivemos interferência a medida que a faísca era produzida.

6) Descrição do trabalho

Através do circuito descrito na figura 4, duas esferas (que podem ser substituídas por pontas), separadas por uma determinada distância, estão ligadas a parte secundária de um transformador, que produz uma tensão alternada a partir de oscilações no circuito L-C na parte primária do transformador. A tensão entre as esferas metálicas, e1, é suficiente para ionizar o ar e produzir uma descarga oscilante do capacitor formado pelas duas esferas acopladas ao secundário do transformador, fazendo soltar faíscas entre as esferas. Para detectar as ondas eletromagnéticas geradas pelas descargas oscilatórias, utiliza-se um fio metálico em forma de arco, deixando duas esferas metálicas distantes, nas extremidades do fio.

Fig 10: Circuito inicialmente proposto.

Utilizando um aparato faiscador mostrado na figura 2, podemos substituir o circuito principal. Isso é válido, pois seu circuito interno é semelhante ao proposto e produz o mesmo resultado.Como citado anteriormente, o circuito foi modificado para ocorrer a interferência via radiofreqüência, o esquema segue na figura abaixo:

Fig 11: Circuito de radiofreqüência

Podemos notar na figura abaixo o circuito montado com o faiscador, capacitor e os contatos da faísca.

Fig 12: Circuito Final.

O circuito que foi inicialmente proposto utilizando a usina de fogão encontra-se a seguir:

Fig 13: Circuito inicialmente concebido utilizando a central de fogão

Temos a seguir o circuito utilizado, a diferença é que o suporte para a visualização da faísca não é necessário:

Fig. 14: Circuito efetivamente utilizado.