frequencia da rede eletrica

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Pontifícia Universidade Católica de São Paulo

Iniciação Cientifica Junior na PUC/SP e o desenvolvimento de atividades experimentais em

Física utilizando o Classmate PC

DDeetteerrmmiinnaaççããoo ddaa ffrreeqquuêênncciiaa ddaa rreeddee

eellééttrriiccaa

PPllaannoo ddee aauullaa

Autor: Prof. Júlio Lamon (Escola Nossa Senhora das Graças) Alunos da 2ª ensino médio da Escola Nossa Senhora das Graças Alexandre Portugal de Almeida Giuliane Roncoleta Yunes Supervisão Profa. Marisa Almeida Cavalcante (PUC/SP) e Profa.Cristiane Rodrigues Caetano Tavolaro (PUC/SP)

Julho de 2009

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Introdução

Para construir uma visão da Física que esteja voltada para a formação de um cidadão

contemporâneo, capaz de compreender, intervir e participar da realidade propomos aqui uma

atividade baseada nos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN+). A atividade baseia-se no tema

estruturador “equipamentos eletromagnéticos e telecomunicações”, de modo que o aluno

aprofundará conhecimentos sobre: corrente elétrica, resistor, Lei de Ohm, gerador e produção de

corrente continua e alternada.

O fototransistor permitirá ao professor introduzir conteúdos de física moderna, bem como discutir

o impacto provocado pelo desenvolvimento da eletrônica no século passado, pois este fato está

relacionado com uma competência importante:

“Reconhecer e avaliar o desenvolvimento tecnológico contemporâneo, suas relações com as

ciências, seu papel na vida humana, sua presença no mundo cotidiano e seus impactos na vida

social.”

Outras competências desenvolvidas pelos alunos deveram ser:

•“Reconhecer e utilizar adequadamente, na forma oral e escrita, símbolos,

códigos e nomenclatura da linguagem científica”;

•“Elaborar comunicações orais ou escritas para relatar, analisar e sistematizar

eventos, fenômenos, experimentos, questões, entrevistas, visitas,

correspondências”;

•“Reconhecer, utilizar, interpretar e propor modelos explicativos para

fenômenos ou sistemas naturais ou tecnológicos”;

pois os alunos deverão explicar o procedimento e o funcionamento do

experimento elaborando textos em forma de relatórios. E ainda:

•“Identificar em dada situação-problema as informações ou variáveis relevantes

e possíveis estratégias para resolvê-la”;

•“Identificar fenômenos naturais ou grandezas em dado domínio do

conhecimento científico, estabelecer relações; identificar regularidades,

invariantes e transformações”;

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•“Selecionar e utilizar instrumentos de medição e de cálculo, representar dados

e utilizar escalas, fazer estimativas, elaborar hipóteses e interpretar resultados”;

•“Consultar, analisar e interpretar textos e comunicações de ciência e tecnologia

veiculados por diferentes meios”.

Ao efetuar o experimento os alunos estarão; montando o circuito, identificando os instrumentos

de medidas, as grandezas físicas envolvidas no experimento, quais grandezas possuem valores

constantes ou variáveis, propondo explicações para os fenômenos observados ao mesmo tempo

em que estarão pesquisando e efetuando cálculos e tabelas. Convém ressaltar que o experimento

produz esta enorme variedade de ações para o aprendizado do aluno, além propiciar ao professor

a oportunidade de se tornar um pesquisador.

Objetivos

Compreender o conceito de corrente alternada através de atividades experimentais que utilizam

componentes eletrônicos de alta tecnologia, mas baixo custo e computadores como instrumentos

de coleta de dados.

Conteúdo

Os conteúdos abordados nesta atividade possibilitam tratar os seguintes temas estruturadores de

acordo com a Proposta Curricular do Estado de São Paulo:

Som, imagem e comunicação – 2ª série do EM

Luz: fontes e características físicas

Ondas eletromagnéticas

Transmissões eletromagnéticas

Equipamentos elétricos, Matéria e Radiação – 3ª série do EM

Circuitos elétricos

Campos e forças eletromagnéticos

Geradores

Produção e consumo de energia elétrica

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Matéria: suas propriedades e organização

Átomo: emissão e absorção da radiação

Eletrônica e informática

De acordo com os conteúdos específicos o professor deve explicar:

- O funcionamento das lâmpadas incandescentes e fluorescentes, observando o uso e as

características fornecidas pelo fabricante.

- O modelo de corrente elétrica e os sistemas resistivos - Lei de Ohm.

- Lei de indução de Faraday

- Funcionamento dos geradores elétricos e as transformações de energia para se obter a energia

elétrica

- O desenvolvimento econômico e tecnológico devido à utilização da energia elétrica

-Os modelos atômicos de matéria de Rutherford e Bohr.

- A absorção e a emissão da radiação pela matéria, Lei de Planck e a dualidade onda-partícula.

- O modelo de semicondutor e sua utilização nos componentes eletrônicos.

- O desenvolvimento econômico e tecnológico devido à utilização dos componentes eletrônicos.

Grade Curricular e Temas Estruturadores

Esta atividade pode ser trabalhada nas 2ª series e nas 3ª series do Ensino Médio, entretanto para

os alunos das 2ª series o professor precisará fazer uma introdução do tema estruturador

Equipamentos elétricos, Matéria e Radiação.

Materiais utilizados

Um circuito montado em série utilizando: resistor de 680 ohms, fototransistor, bateria 9 V e LED.

Ponteira laser, lâmpada incandescente, lâmpada luminescente, duas garras jacaré, fio, plug para a

entrada de som do Classmate, softwares para análise de dados,conector para bateria(rabicho) e

lanterna.

Atividade

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Quantidade de aulas necessárias para a atividade: 5 aulas

1 º aula

Esta aula será dividida em duas etapas.

1- Nesta aula vamos explicar o circuito e seus componentes, qual a função e funcionamento de

cada componente. É necessário que o professor explique o funcionamento do fototransistor,

lembrando que a incidência de luz (fótons) provoca um aumento da corrente, este aumento da

corrente é proporcional à intensidade da luz incidente.

Instruções

1.1 Ligar o LED, o resistor 680 ohms e a bateria de 9 V em série.

Fig. 1: Circuito série: Bateria, resistor e LED.

1.2 Verificar a polaridade do LED (ele deve ascender).

1.3 Ligar o conjunto LED-resistor-bateria de 9 V em série com o fototransistor.

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Fig. 2: Circuito série: Bateria, resistor e LED e fototransistor.

Deve-se tomar cuidado com a correta polaridade do fototransistor e do LED, de forma que

ao se iluminar o fototransistor com a ponteira laser o LED acenda.

Fig. 3: ponteira laser

1.4 Ligar cabo com as garras jacarés e o conector para o Classmate PC em paralelo com os

terminais do resistor (as garras nos terminais do resistor).

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Fig. 4: Garras tipo “jacaré” em paralelo com o resistor

1.5 O conector para o Classmate PC deve ser ligado na entrada para “mic” (cor rosa).

Fig. 5: Conexão do plug na entrada de microfone do Classmate PC.

1.6 Ligar a lâmpada (incandescente ou fluorescente) na rede elétrica, colocar o fototransistor na

frente da lâmpada acesa.

1.7 O circuito deve estar de acordo com as figuras abaixo

Fig. 6: Montagem completa do equipamento.

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Função e funcionamento de cada componente.

• LED detecta se o circuito está funcionando corretamente

• Bateria 9 V alimenta o circuito.

• A lâmpada (incandescente ou fluorescente) ligada à rede elétrica estará ascendendo e apagado de

acordo com a freqüência da rede elétrica .

• O fototransistor detectará quando a lâmpada (incandescente ou fluorescente) está acesa ou

apagada; quando a lâmpada esta acesa produz um aumento de corrente elétrica no circuito,

quando a lâmpada esta apagada a corrente elétrica no circuito volta ao seu valor original.

• Resistor 680 ohms detecta variação da corrente elétrica e da DDP em seus terminais, como o

resistor está conectado com o classmate PC, esta variação de DDP é enviada para a entrada do

classmate PC e mostrada pelos softwares Audacity ou Oscilloscope.

Cabe aqui uma explicação mais detalhada sobre esse componente eletrônico que terá

papel fundamental no experimento.

O fototransistor é um semicondutor, isto é, um sólido formado por ligações covalentes, que

produzem uma rede cristalina (seus átomos estão distribuídos de forma geométrica). Deste modo

não existem elétrons livres, portanto um semicondutor não conduz corrente elétrica. Entretanto é

possível introduzir impurezas na sua rede cristalina e esse processo chama-se dopagem. Admita

que inicialmente um sólido formado por átomos de silício ou germânio. Se introduzirmos átomos

que possuem cinco elétrons de valência (arsênio, por exemplo) neste sólido teremos uma

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dopagem do tipo N, o germânio ou silício possuem quarto elétrons de valência,assim o arsênio

(sitio doador) é um portador de carga negativo, o quinto elétron do arsênio pode ser utilizado para

produzir corrente elétrica. Se introduzirmos átomos que possuem três elétrons de valência

(alumínio, por exemplo) neste sólido teremos uma dopagem do tipo p, o alumínio possui três

elétrons de valência e o germânio ou silício possuem quarto elétrons de valência,assim o alumínio

(sitio aceitador) é um portador de carga positivo,tipo P,a lacuna (no orbital falta um elétron) pode

ser utilizada para produzir corrente elétrica,uma vez que um elétron pode ocupar esta lacuna.

Formando um semicondutor com tipo P e tipo N, poderemos obter movimento de portadores de

carga.

Observe que na figura acima o elétron do Arsênio pode se deslocar para ocupar a lacuna do

Alumínio,mas isto não ocorre enquanto este elétron não receber uma quantidade mínima de

energia. O elétron do Arsênio se encontra na banda de valência, ao receber esta quantidade

mínima de energia (E = h.f) ele passa para a banda de condução e somente agora ele pode se

mover para a lacuna do Alumínio.

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O fototransistor é formado por três pedaços de semicondutores PNP.

A base será formada por dopagem N que possui elétrons que podem se deslocar, desde que

recebam o valor correspondente de energia, um fóton de luz fornecerá o valor de energia mínima

para que os elétrons passem para a banda de condução. Na presença dos fótons de luz teremos

mais elétrons na banda de condução, portanto um aumento da corrente elétrica. Na ausência dos

fótons de luz não teremos elétrons na banda de condução, portanto uma diminuição da corrente

elétrica. Observe que o fototransistor é um sensor de luz, quanto maior a intensidade da luz maior

será a corrente elétrica. O coletor e o emissor serão formados dopagem P, possui lacunas que

podem receber elétrons.

2- Mostrar a diferença entre as curvas obtidas quando a lâmpada está alimentada pela rede

elétrica e quando colocamos a lanterna. É muito importante ressaltar esta diferença

Inicialmente vamos aprender utilizar os softwares Audacity e Oscilloscope.

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2-1 Utilizando software Audacity (http://audacity.sourceforge.net/download/), observe a figura

abaixo.

Fig. 8: Tela do software Audacity mostrando como deve ser feita a medida do período.

2.2 Utilizando o software Oscilloscope http://polly.phys.msu.su/~zeld/oscill.html ou

http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/MCL_down.html, observe a figura abaixo.

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Fig. 9: Tela do software Oscilloscope mostrando como deve ser feita a medida do período.

2.3 - Com a lâmpada incandescente alimentada pela rede elétrica obter a curva com os dois

softwares: Audacity e Oscilloscope.

Fig. 10: Tela do software Oscilloscope mostrando a medida do sinal obtido com a lâmpada incandescente.

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Fig. 11: Tela do software Audacity mostrando a medida do sinal obtido com a lâmpada incandescente.

Os alunos devem ser questionados sobre o porque desse resultado.

2.4 Com uma lanterna alimentada por uma pilha obter a curva com os dois softwares Audacity e

Osciloscope.

Fig.12: Esquema do equipamento com a lanterna no lugar da lâmpada.

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Fig. 13: Tela do software Audacity mostrando a medida do sinal obtido com a lanterna.

Fig. 14: Tela do software Oscilloscope mostrando a medida do sinal obtido com a lanterna.

O aluno deve notar que as curvas não possuem um período, elas são praticamente uma reta.

2.5- Com a lâmpada fluorescente alimentada pela rede elétrica obter a curva com os dois

softwares Audacity e Osciloscope.

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Fig. 15: Tela do software Oscilloscope mostrando a medida do sinal obtido com a lâmpada luminescente.

Fig. 16: Tela do software Audacity mostrando a medida do sinal obtido com a lâmpada luminescente.

2.6- Os alunos devem anotar suas observações e explicar as diferenças entre as lâmpadas

alimentadas pela rede e pela bateria.

Questionamento que precisa ser realizado com os alunos: ao observarmos a luz emitida por

lâmpadas ligadas à rede elétrica, incandescentes e luminescentes e outras ligadas à bateria (em

lanternas), notamos diferenças em seus brilhos, além da diferença de intensidade? Como é

possível então explicar as diferenças obtidas através do experimento?

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2 º aula

1- Esta aula está reservada para os alunos levantarem hipóteses para explicar as curvas

encontradas. Por que a rede produz um tipo de curva diferente da curva da bateria?

1.1- O professor deve acessar o site http://phet.colorado.edu/sims/circuit-construction-kit/circuit-

construction-kit-ac_pt.jnlp e efetuar as simulações representadas nas figuras abaixo:

1.2- Os alunos devem fazer a relação entre as simulações e as curvas encontradas e propor uma

explicação. É importante orientar os alunos para que levantem explicações coerentes com as

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simulações e as curvas observadas. É neste momento que os alunos devem notar a relação entre

o resultado experimental e o modelo teórico de corrente elétrica alternada.

1.3 - Com a explicação proposta pelos alunos, o professor deve explicar como a corrente alternada

é produzida na usina elétrica, isto é os elétrons estão oscilando na linha de transmissão, e no caso

da corrente continua (produzida pela pilha ou bateria) esta oscilação não ocorre.

2- Explicar o cálculo da freqüência da rede.

2.1- Nas curvas obtidas com as lâmpadas alimentadas pela rede, medir o tempo entre dois pontos

consecutivos de mesma fase (podemos tomar os dois pontos de máximo da curva). Este tempo

será o período. Determinamos então a freqüência

períodofrequência

1=

2.2– O professor deve notar que o período medido é o intervalo de tempo onde as lâmpadas estão

acesas. Entretanto queremos o intervalo de tempo no qual as lâmpadas estão acessas e apagadas.

Assim a freqüência encontrada deve ser dividida por dois.

Observe a figura abaixo.

Veja animação no blog.

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Prof. Júlio - IC Jr. PUC-SP e Intel: Como o fototransistor (sensor) registra a variação da corrente

elétrica.

Para as aulas 3 e 4 o professor poderá utilizar o software Microsoft Excel realizar os cálculos e

tabelas. O autor utilizou este software, pois ele é prático e coloca os alunos em contato com

alguns de seus conceitos básicos.

3 º aula

1- Nesta aula devemos efetuar o processo experimental para determinar a freqüência da rede

elétrica utilizando a lâmpada incandescente e os softwares Audacity e Osciloscope. Lembrando

dos procedimentos 2.1 e 2.2 da aula 1 e o procedimento 2.2 da aula 2.

1.1-Utilizando a lâmpada incandescente alimentada pela rede, obter a curva com o software

Audacity.

1.2 –Efetuar a medida do período (mínimo de dez medidas).Preencher a tabela abaixo:

Calcular a freqüência média o desvio médio absoluto e o desvio padrão.

n

xxodesviomédi

i −∑=

( )

1

2

−

−∑=

n

xxãodesviopadr

i

Resultado final: (60 ± 3) Hz

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1.3- Utilizando a lâmpada incandescente alimentada pela rede, obter a curva com o software

Osciloscope.

1.4 – Efetuar a medida do período (mínimo de dez medidas), Preencher a tabela abaixo,

lembrando que no Oscilloscope devemos subtrair os intervalos de tempo

·.

Calcular a freqüência media o desvio médio absoluto e o desvio padrão.


4 º aula

1- Nesta aula devemos efetuar o processo experimental para determinar a freqüência da rede

elétrica utilizando a lâmpada fluorescente e os softwares Audacity e Osciloscope. Lembrando dos

procedimentos 2.1 e 2.2 da aula 1 e o procedimento 2.2 da aula 2.

1.1- Utilizando a lâmpada fluorescente alimentada pela rede, obter a curva com o software

Audacity.

1.2 – Efetuar a medida do período (mínimo de dez medidas), preencher a tabela abaixo.

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1.3- Utilizando a lâmpada fluorescente alimentada pela rede, obter a curva com o software

Osciloscope.

1.4 – Efetuar a medida do período (mínimo de dez medidas), preencher a tabela abaixo,

lembrando que no Oscilloscope devemos subtrair os intervalos de tempo.



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5 º aula

1- Nesta aula devemos elaborar o relatório com os seguintes itens: introdução, procedimento

experimental, resultados e discussão, conclusão e referências bibliográficas.

1.1 - Inicialmente o professor deve comentar dois fatos:

1.1 a - No Brasil a freqüência da rede elétrica é 60 Hz, evidentemente não é possível garantir que

durante a realização do experimento esta freqüência não sofreu alguma variação.

1.1 b - Durante um experimento sempre ocorrem erros, portanto o valor encontrado para a

frequência da rede não será exatamente 60 Hz. Para isso devem ser analisados os resultados finais

que contém o desvio padrão da série de dez medidas e também o porque da utilização de

softwares diferentes para a coleta e análise dos dados.

1.2 – O relatório deve conter as explicações dos seguintes itens:

1.2a – As diferenças entre as curvas obtidas pela rede elétrica e pela a bateria.

1.2b - Como é produzida a corrente elétrica na bateria e no gerador.

1.2c – Qual a função e funcionamento dos componentes do circuito, dando atenção especial para

o fototransistor uma vez que ele permite ao professor introduzir conceitos de física moderna.

Links

Blog com mais informações sobre o experimento

http://picjrintelpucsp.blogspot.com/

http://picintel-profjulio.blogspot.com/

Texto sobre conversão de sinais analógico-digitais

http://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/2009/01/texto-de-orientao-para-oficina-de-

novas.html

Simulador de circuitos elétricos

http://phet.colorado.edu/sims/circuit-construction-kit/circuit-construction-kit-ac_pt.jnlp

Software Audacity

http://audacity.sourceforge.net/download/

Software Osciloscope

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http://polly.phys.msu.su/~zeld/oscill.html

Outros

http://www.sbfisica.org.br/arquivos/PCN_FIS.pdf

http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/CienciasNatureza.pdf

http://www.rededosaber.sp.gov.br/contents/SIGS-

CURSO/sigsc/upload/br/site_25/File/Prop_FIS_COMP_red_md_20_03.pdf

http://www.pucsp.br/gopef

Referências Bibliográficas

Cavalcante, Marisa Almeida; TAVOLARO,Cristiane .R.C.;BONIZZIA,Amanda ; e PIFER,Anderson.

“Novas Tecnologias no Ensino de Física” GOPEF/PUC-SP 2008.

TAVOLARO, Cristiane. R. C.; e Cavalcante, Marisa Almeida. ”Física Moderna Experimental”.

Barueri, Editora Manole 2003.

FEYNMAN, Richard P. “Lições de Física de Feynman volume III”. Porto Alegre, Artmed Editora.

2008.

DEUS, Jorge Dias de; PIMENTA, Mário; NORONHA, Ana; PEÑA,Teresa; e BROGUEIRA, Pedro.

”Introdução à Física”. Lisboa, McGraw-Hill 2000.

EISBERG, Robert; e RESNICK, Robert, “Física Quântica”. Rio de Janeiro, Editora Campus 1979.

frequencia da rede eletrica

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