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Conceitos de eletricidade: tensão, corrente, resistência e potência

Publicado por 
novaescola
Objetivo(s) 
  • Compreender conceitos básicos de eletricidade
  • Entender como funciona a cobrança de energia elétrica
Conteúdo(s) 

Eletrodinâmica: ddp, corrente elétrica, resistência e potência.

Ano(s) 
Tempo estimado 
1 aula
Material necessário 

Este plano de aula está ligado à seguinte reportagem de VEJA:

Desenvolvimento 
1ª etapa 

Inicie a aula abrindo uma discussão em torno do tema eletricidade. Pergunte 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. Fale para eles 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.

Explique então sobre corrente elétrica. Talvez seja necessário 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 

Revisada a estrutura atômica, comece a falar 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.

bateria

Note que, no esquema apresentado, 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:

Descrição da imagem
onde Q representa a quantidade de carga medida em Coulombs (C) e , o tempo em segundos (s).
3ª etapa 

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:

segunda lei de ohm
(conhecida por Segunda Lei de Ohm)

Com os valores de resistências é possível dimensionar melhor desde a ligações residenciais como parques industriais ou até mesmo redes nacionais.

Fale para os alunos que todos os eletrodomésticos que basicamente esquentam (salvo o microondas) funcionam a base de resistores. Mesmo aqueles que são destinados a outros objetivos, como a TV, o rádio, e o computador, também apresentam elementos resistivos, pois acabam esquentando com o uso. Você pode ir além nas discussões falando da resistência que o corpo humano apresenta. Aqueles que sofrem acidentes mais sérios com corrente elétrica são vitimas de queimaduras devido ao intenso aquecimento provocado pelo efeito Joule.

4ª etapa 

Agora que eles sabem o que é corrente elétrica e o que é resistência, comece a falar sobre a voltagem. Inicie fazendo uma pergunta básica: Qual a voltagem de uma pilha comum? Qual a voltagem de uma bateria de carro? O que realmente significa 110V e 220V?

Esse questionamento vai direcionar a discussão do próximo assunto. Tensão, voltagem, diferença de potencial (ddp), queda de potencial ou queda de tensão são sinônimos para um mesmo conceito. Para compreendê-lo melhor é preciso entender o que é potencial.

Podemos entender potencial como a energia que cada carga consegue carregar. Os portadores de cargas, nesse caso os elétrons, são capazes de realizar trabalho devido à energia atrelada ao seu estado de excitação. A corrente elétrica nada mais é do que o transporte dessa energia que faz com que ela chegue até o equipamento a ser acionado.

 eletricidade

diferença de potencial (ddp) nada mais é do que a diferença dos potenciais entre dois pontos específicos. Uma lâmpada em funcionamento usa os potenciais elétricos para promover sua irradiação luminosa. Portanto é notável que haja uma diferença nos elétrons que entram e que saem. Essa diferença que poder ser calculada é o que chamamos de ddp e é intimamente vinculada ao consumo energético da lâmpada. A figura ao lado ilustra o caminho do fluxo de elétrons e a perda de potencial ao atravessar a lâmpada. Note que a quantidade de elétrons que entra é a mesma que sai. O potencial está simbolizado pela vibração dos portadores de cargas. Houve uma baixa no potencial devido ao consumo energético promovido pelo funcionamento da lâmpada. Para os resistores a ddp que geralmente é representada pela letra U pode ser encontrada através de uma relação entre corrente e resistência:

U = R.i

U: diferença de potencial - medida em Volt (V).
R: valor da resistência - medido em ohm (Ω).
i: intensidade de corrente - medida em Ampére (A).

Por último, discuta com os alunos sobre potência. Os meninos geralmente conhecem o conceito devido à paixão por veículos e sabem que quanto maior a potencia do motor, mais veloz é o carro. Traga esse conceito à tona e vá além citando outros exemplos de potencias elétricas para introduzir o assunto. Mencione potências de eletrodomésticos, como uma lâmpada fluorescente que tem potência média de 40W, um secador de cabelos, que pode chegar aos 2000W e um chuveiro elétrico, que chega até a 8000W.

Nesse momento, faça uma conta simples para se ter uma ideia sobre a potência e consumo de energia. Um chuveiro ligado pode alimentar até 200 lâmpadas fluorescentes. Seria como iluminar uma escola inteira, praticamente. Por esse motivo, os pais pegam no pé dos alunos quanto à demora no banho. O chuveiro figura um dos maiores vilões da conta de luz.

Após a discussão ser iniciada, explore o conceito de potência como sendo uma relação entre energia e tempo (P=E/∆t). Podemos compreender como uma relação que mostra como a energia é transformada ou o trabalho é realizado em uma unidade de tempo. Por esse motivo, os elementos mais potentes são os mais cobiçados e também os mais caros. Em contrapartida, os eletrodomésticos atuais buscam cada vez mais eficiência energética na tentativa de reduzir a potência sem a perda de qualidade ou funcionalidade.

A unidade de potência no sistema internacional (SI) é o Watt (W). Porém, vestibulares e concursos públicos estão explorando bastante questões que envolvem a unidade comercial de energia elétrica, o quilowatt-hora (kWh). Essa notação nada mais é que uma simplificação de valores, visto que 1 kWh corresponde a 3.600.000 J de energia.

Em São Paulo, a operadora de energia elétrica cobra cerca de R$ 0,30 por kWh mais os impostos que variam de acordo com o consumo. Através deste dado e de algumas informações técnicas é possível estimar o preço de um banho de 20min. Supondo um chuveiro mais modesto com 6000W de potência, podemos calcular da seguinte forma:

Potência do Chuveiro: 6000W = 6kW
Tempo de uso: ∆t = 20min = 1/3 de hora
Valor do kWh: R$ 0,30
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,oo. 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 ideia do pesado custo nas contas apenas devido ao chuveiro. Agora a reclamação constante dos pais começa a fazer sentido.

5ª etapa 

Proponha aos alunos que façam uma estimativa do custo mensal da conta de luz de suas casas preenchendo a tabela a seguir. 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. Veja o exemplo logo abaixo da tabela em branco.

 
Descrição da imagem

Essa estimativa de consumo energético mensal resultou em 396,600 kWh. Isso multiplicado por R$ 0,30 que é o preço do kWh dá um valor de R$ 118,98. Como o valor final inclui um tributo de 25%, logo a conta a ser cobrada no final do mês será de: R$ 148,72.

Para fechar a aula discuta formas de se economizar e assim contribuir para o consumo consciente da energia elétrica.

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.

Flexibilização 

Para ampliação deste plano, caso haja na sala um deficiente visual, é importante que se faça inicialmente um processo de metacognição com alunos para verificar o que sabem sobre a eletricidade. Nesse caso, o aluno com DV deve também expor seus conhecimentos sobre o assunto. A partir daí, sugere-se que gráficos, fórmulas e leituras sobre a questão sejam "traduzidos" para o Braile, painéis em alto relevo, modelos concretos e outros materiais que podem ser desenvolvidos pelos próprios alunos. Para isso, professor, procure também o AEE de sua escola.

Deficiências 
Visual
Créditos:
Ilton Miyazato
Formação:
Licenciado em Física pela Universidade de São Paulo, bacharel em Gestão Ambiental pela mesma instituição e professor do colégio São Francisco de Assis, em São Paulo.
Autor Nova Escola

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