Experiência Pilha e Bombril – Efeito Joule

* Efeito Joule.

Duração das atividades

Aproximadamente 100 minutos, duas (2) aulas.

Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

* Calor; * Energia Elétrica e Térmica.

Estratégias e recursos da aula

As estratégias utilizadas serão:

• Aula interativa;
• Aula conceitual;
• Desenvolvimento de dois experimentos. Observamos que o professor deverá solicitar previamente aos alunos os materiais (como segue na Tabela 1 abaixo) necessários para a realização dos experimentos nestas aulas.

Motivação:
Neste momento o professor deverá instigar a curiosidade dos alunos sobre o tema a ser estudado, e perguntar se eles sabem como é que o chuveiro esquenta a água do nosso banho.

Figura 1 – Chuveiro elétrico.
Imagem disponível em: http://planeta.dyndns.org/projects/shower2006/instalado.jpg. Acesso em: 31 mar. 2009

Após ouvir as opiniões dos alunos, o professor deverá dizer que esta pergunta poderá ser facilmente respondida durante estas aulas.

Atividade 1

Após a motivação, peça para os alunos formarem grupos de quatro ou cinco integrantes. Estando os alunos na sala de aula, o professor deverá entregar o recurso (que se trata de uma experiência) postado a seguir.

Recurso:

Efeito quente

Link do Recurso no site do Portal do Professor:
http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/recursos/18040/efeito_quente.pdf

As experiências que serão trabalhadas nestas aulas serão de grande valia para o compreendimento do Efeito Joule, pois demonstra com experimentos simples a ação deste efeito.

Na primeira experiência (Fig. 2) poderá ser visto o efeito Joule usando o tato. Desta forma, ligaremos as duas extremidades da uma fita de papel alumínio nos pólos da pilha, estabelecendo-se uma corrente elétrica. Depois de um certo tempo a fita irá se aquecer devido à passagem da corrente elétrica. Este aquecimento é pequeno e somente será percebido pelo sentido do tato, numa região do corpo sensível a pequenas temperaturas. Como por exemplo, as costas da mão, o punho, etc.

Figura 2 – Fita de alumínio ligada nos pólos de uma pilha.

Na segunda experiência (Fig. 3) será visualizada o efeito Joule na queima de uma palha de aço por causa da corrente elétrica de uma pilha. Quando a corrente elétrica que sai dá pilha chega à palha de aço pelos fios, ela aquece uma pequena região da palha onde os fios estão ligados, mas a palha não é queima totalmente no inicio. Como a palha de aço é um emaranhado de filamentos, um queima o outro sucessivamente até que todo o pedaço de palha esteja queimado.

Figura 3 – Representação da experiência 2.

Observamos que a lista de materiais necessários para a realização destas experiências encontra-se na Tabela 1 abaixo.
Tabela 1 – Lista de Materiais

Em relação à montagem dos experimentos, o professor deverá dar as seguintes instruções aos alunos:

Experimento 1

• Recortem uma fita de papel alumínio de aproximadamente 3 mm de largura e 10 cm de comprimento (comprimento suficiente para ligar os pólos da pilha);
• Liguem as extremidades da fita de alumínio na pilha (Fig. 2) e aguardem uns dois minutos;
• Sintam pelo tato se houve aquecimento da tira de papel alumínio.

Experimento 2

• Liguem um pedaço de fio numa extremidade de uma pilha (Fig. 4);
• Liguem outro pedaço de fio à outra extremidade da pilha (Fig. 4);

Figura 4 – Fios ligados nos pólos de uma pilha.

• Peguem um pedaço pequeno de palha de aço e coloque-o no chão;
• Encostem as extremidades livres do fio na palha de aço (Fig. 3), próximos um do outro.

Observações:

1. Para fazer com que a palha de aço se queime, é preciso que ao encostar os fios na palha de aço eles estejam bem próximos e, caso a palha de aço não se queime com apenas uma encostada, faça pequenos movimentos com os fios, mantendo sempre uma distância pequena entre eles.
2. Na montagem da palha de aço, tome o cuidado de não apoiá-la em algum lugar que possa pegar fogo como tapetes, carpetes, madeira, compensados, plásticos etc ou tampouco próximo de produtos inflamáveis como álcool, querosene, gasolina, bebida destilada, óleo, perfumes, desodorantes etc. Recomenda-se que se faça sobre um piso (ou mesa) de cimento ou pedra, como o chão de uma cozinha, ou sobre pia de mármore. Verifique sempre se não há algo que possa queimar por perto.
3. Não queime a palha de aço onde haja corrente de vento forte, ou algum ventilador ligado. O vento pode fazer com que a palha de aço voe, por ser muito leve. Ou ainda fazer com que faíscas se soltem durante uma rajada de vento.

Visando favorecer a contextualização do tema estudado nestas aulas, sugerimos que o professor questione os alunos onde o Efeito Joule se faz presente, onde mais é possível observar este efeito e onde podemos usá-lo. Após ouvir os alunos, ajude-os a concluir que o efeito Joule está presente em todos os equipamentos (ou máquinas) que utilizam qualquer tipo de energia (elétrica, cinética, mecânica etc.), e criando energia térmica (pelo conceito do efeito Joule). São vários os aparelhos que possuem resistores e trabalham por Efeito Joule, como por exemplo, o secador de cabelo (Fig. 6), o ferro elétrico e a torradeira.

Figura 6 – Secador de cabelo.
Imagem disponível em: http://novoimages.quebarato.com.br/photos/big/5/B/12935B_1.jpg. Acesso em: 31 mar. 2009

Outra aplicação que utiliza esta teoria (Efeito Joule) é a proteção de circuitos elétricos por fusíveis (Fig. 7). Os fusíveis são dispositivos que têm com objetivo proteger circuitos elétricos de possíveis incêndios, explosões e outros acidentes. O fusível é percorrido pela corrente elétrica do circuito. Caso esta corrente tenha uma intensidade muito alta, a ponto de danificar o circuito, o calor gerado por ela derrete o filamento do fusível interrompendo o fornecimento de energia, protegendo o circuito (1).

Figura 7 – Fusíveis.
Imagem disponível em: http://www.induspelfusiveis.com.br/fusiveis_induspel_fusiveis.jpg. Acesso em: 31 mar. 2009

Questione-os também se o efeito Joule é um fenômeno bom (útil) para o homem. Após ovir as opiniões dos alunos, destaque que o efeito Joule é bom (útil) quando precisamos do calor (chuveiro elétrico, torradeira etc.), pois em aparelhos que a energia térmica não é necessária, este efeito está relacionado com perda de energia, como, por exemplo, o processador do computador, motor de um carro (Fig. 5) entre outros.

Figura 5 – Motor de carro.
Imagem disponível em: http://www.colegiosaofrancisco.com.br/alfa/historia-do-automovel/imagens/diesel-jeep-engine.jpg. Acesso em: 13 abr. 2009

Ao término das experiências é importante que o professor favoreça que os alunos compreendam que a energia possui a característica de poder existir sob várias formas (elétrica, cinética, química, térmica etc.) e ser transformada de uma forma para outra. Por exemplo, a energia mecânica que se transforma em energia elétrica numa usina hidrelétrica ou a transformação de energia elétrica em energia térmica numa resistência de chuveiro, aquecendo assim a água que envolve o resistor.

Sugestões:

Abaixo sugerimos algumas aulas sobre temas relacionados com o efeito Joule, postadas no Portal do Professor, que podem ser utilizadas para enriquecer estas aulas e ou ser utilizadas em aulas posteriores.

Transformação de Energia – http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=919

De onde vem a Energia Elétrica – http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=1381

CURIOSIDADE:

O professor poderá fazer o seguinte questionamento aos alunos: “As resistências de aquecimento são sempre construídas de fio de níquel-cromo em espiral (Fig. 8). Por que se usa essa forma de enrolamento?”.

Figura 8 – Lâmpada.
Imagem disponível em: http://www.friccoes.redezero.org/wp-content/uploads/2008/01/lampada.jpg . Acesso em: 31 mar. 2009

É importante que o professor incentive a discussão entre os alunos a respeito desta pergunta, bem como medie esta, favorecendo a formação da construção do saber de que, as resistências precisam ser compridas e ocupar espaços pequenos para que possam caber nos equipamentos de que fazem parte ⁽²⁾.

Referencias Bibliográficas
(1) – Efeito Joule. O Efeito Joule. Disponível em: < http://www.efeitojoule.com/2008/04/efeito-joule.html >. Acesso em: 31 mar. 2009
(2) – Gaspar, Alberto. Física 1º Edição. p. 453, 2008.