Volta - Geração e consumo de energia elétrica

OFICINA

VOLTA

Geração e consumo de energia elétrica

Livro do professor

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OFICINA

VOLTA

Geração e consumo de energia elétrica LIVRO DO PROFESSOR

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Presidente Ricardo Uzal Garcia

Projeto Gráfico e Diagramação William Haruo, Aline Aliste, Luis Kinoshita

Diretor de Operações William Garcia

Engenharia de Produtos Didáticos Cláudio Azanha Jr.

Equipe Pedagógica Mário Donizeti Domingos, Cristian Annunciato, Luisiana Andresa Carneiro, Marcio Cotomacci

Créditos Fotográficos Livro do aluno: P. 6: Fleur Suijten/Freeimages – P. 14: Lackac/Freeimages – P. 22: Mark Ireland/Flickr

Edição Maíra Corrêa Machado

Fotos dos procedimentos: Mário Donizeti Domingos

Revisão Beatriz Rezende

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (eDOC BRASIL, Belo Horizonte/MG) C397v

Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Experimenta.

Volta: geração e consumo de energia elétrica: livro do professor / [Centro de Pesquisa da Experimenta – Educação em Ciências]. – Valinhos (SP): Experimenta, 2016 – (Oficinas Descobrindo a Ciência).

32 p. : il. ; 20 x 26,5 cm

ISBN 978-85-93201-60-8

1. Ciências (Ensino fundamental). 2. Eletricidade. 3. Física. I.Título. II. Série.

CDD-537

Experimenta – Educação em Ciências Av. Benjamin de Paula França, 2000 Vale Verde - Valinhos - SP CEP 13279-173 Tel.: 55 19 3514-6900 www.experimentaciencias.com.br Impresso no Brasil 1ª edição / copyright © 2014 Experimenta – Educação em Ciências Ltda.

Reprodução proibida. Art. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998.

Impressão e acabamento Nome da gráfica, mês/ano Aplicação FSC

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Geração e consumo de energia elétrica LIVRO DO PROFESSOR

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Geração e consumo de energia elétrica

Sumário Atividade 1

Como estimar o consumo de energia elétrica na sua casa?

Página 6

Atividade 2

Como funciona o circuito elétrico de uma casa?

Página 14

Atividade 3

Como a energia elétrica é gerada?

Página 22

Faça em casa

Construção de um “jogo elétrico”

Página 28

Bibliografia

Sites consultados

HEWIT, Paul G. Física conceitual. 9ª ed. Tradução de Trieste Freire Ricci e Maria Helena Gravina; revisão técnica de Claudio José de Holanda Cavalcanti. Porto Alegre: Artmed, 2002.

Simulador de consumo de energia elétrica. Disponível em: http://www.edp.com.br/distribuicao/edp-bandeirante/utilidades/simulador-de-consumo/Paginas/default.aspx. Acesso em: out. 2014.

VALADARES, E. C, Física mais que divertida - Inventos eletrizantes baseados em materiais reciclados e de baixo custo.

Belo Horizonte: Editora da Universidade Federal de Minas Gerais, 2000.

Inmetro - Informação ao consumidor. Disponível em: http:// www.inmetro.gov.br/consumidor/etiquetas.asp. Acesso em: out. 2014.

MATON, A. et al Prentice Hall Science - Electricity and Magnetism. Nova Jersey: Prentice-Hall Inc, 1993.

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Apresentação Este material faz parte da coleção de oficinas Descobrindo a Ci­ência, desenvolvida pela Experimenta – Educação em Ciências. Esta coleção é composta por módulos que abordam diversos conteúdos da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias, de maneira prática, dinâmica e lúdica.

O uso de energia elétrica causou profundas mudanças no estilo de vida da humanidade. O uso de lâmpadas, motores elétricos e equipamentos eletroeletrônicos transformaram a nossa vida de tal forma que, hoje, é difícil imaginar como ela seria sem eles.

A energia elétrica, como todos os outros tipos de energia, não pode ser criada, mas, sim, transformada a partir de outros tipos de energia. Com o seu uso cada vez mais intenso, a necessidade de utilizar diferentes fontes de energia e em maior quantidade pode causar sérios impactos no ambiente. Como saber qual equipamento, na nossa residência, apresenta maior consumo? Como funciona o circuito elétrico que permite controlar o funcionamento das lâmpadas em uma casa? Como ocorre a transformação de outros tipos de energia em energia elétrica?

Nesta oficina, os alunos conhecerão como obter informações que permitam estimar e comparar o consumo de energia elétrica de diferentes equipamentos, montarão circuitos elétricos que representam a instalação de lâmpadas nas residências, investigarão o fenômeno da indução eletromagnética e construirão um modelo de gerador elétrico. Nestes estudos, espera-se que os alunos compreendam mais sobre os fenômenos elétricos e a utilização da energia no seu cotidiano.

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C o e n

Atividade 1

Atividade 1 Como estimar o consumo de energia elétrica na sua casa?

O que será feito?

N

esta atividade, os alunos conhecerão as informações apresentadas em equipamentos elétricos, reconhecendo as unidades associadas à tensão elétrica, corrente elétrica e potência elétrica. Com essas informações, eles identificarão os equipamentos que consomem maior ou menor quantidade de energia elétrica e, com os dados do conjunto de folhas Informações sobre equipamentos elétricos, realizarão a estimativa do consumo de energia elétrica nas suas residências, percebendo quais os aparelhos que consomem mais energia em funcionamento e também em modo de espera (stand-by).

Antes de iniciar a atividade, deixe claro aos alunos que eles não deverão movimentar os aparelhos elétricos nas suas casas para observarem as etiquetas de informações dos equipamentos sem a supervisão de um adulto nem com o equipamento conectado à rede elétrica.

O

Cad con aco chu tele tem de e Nes real Cada equipamento elétrico de uma casa consome quantidades diferentes de energia.

6

Objetivos Com a realização dos procedimentos propostos nesta atividade, espera-se que os alunos: • Tenham um primeiro contato com os conceitos tensão elétrica, corrente elétrica e potência elétrica; • Relacionem as especificações de cada equipamento elétrico com a tensão de funcionamento e a potência elétrica consumida; • Façam a estimativa do consumo de energia mensal em uma residência, identificando quais equipamentos consomem mais energia elétrica.

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Como estimar o consumo de energia elétrica na sua casa?

O que você vai fazer?

Cada equipamento elétrico utilizado em uma casa consome uma quantidade de energia diferente, de acordo com sua potência e tempo de utilização. Um chuveiro elétrico tem potência muito maior que um televisor, mas o televisor é utilizado por muito mais tempo que o chuveiro. Como calcular a quantidade de energia que a sua família consome em um mês?

Nesta atividade, você conhecerá uma maneira de realizar essa estimativa.

Materiais utilizados nesta atividade INF EQUIPA ORMAÇÕES MENTOS SOB ELÉTRI RE COS Lâmpada incandesc ente 15 W / 40 W / 60 W 100 W / 150 W /

Máquina

fluorescen te tubular

• Conjunto de folhas Informações sobre equipamentos elétricos • Conjunto de folhas Consumo de energia elétrica residencial

Material por equipe Conjunto de folhas Informações sobre equipamentos elétricos

20 W /

de lavar

1 000 W

Lâmpada

Ar condiciona do 1 000 W 1 450 W / 1 350 W / / 2 000 2 100 W W /

40 W

Lâmpada

fluorescen te compacta

9 W / 11

W / 15 W / 23 W / 21 W

Aparelho

de som

80 W Stand-by: 2W

Carregado

r de celular Computad or com monitor CRT

15 W

Barbeador

200 W Stand-by: 2W

elétrico

10 W

Secador

Impressora 25 W Stand-by:

de cabelos

1 000 W

2W

Aquecedo

r central elétrico

10 000

Aquecedo

r elétrico

1 500 W

Aspirador

W

de pó

1 000 W Cafeteira 550 W

Freezer

P0000140-00 - Parte Educação em Ciências integrante da Oficina Ltda. Reprodução Geração Proibida.

150 W

de Energia Eletrica, Art. 184 1ª Edição do Código Copyright Penal e Lei 9.610 © de 19 de 2015 Abramundo fevereiro de 1998. -

Equipamento

Tempo

qtde

Diário

CONSUM ELÉTRI O DE ENERGI CA RES IDENCI A AL

de utilização horas) Semanal

(em

Mensal

Sala

Tempo modo em de espera Mensal

Potência em uso (em watts)

Potência em modo de espera

Consumo Mensal em uso (Wh)

Consumo

mensal em modo espera de (Wh)

Subtotal

Equipamento qtde

Tempo Diário

de utilização horas) Semanal

(em

Mensal

Cozinha

Tempo modo em de espera Mensal

Potência em uso (em watts)

Potência em modo de espera

Consumo Mensal em uso (Wh)

Consumo

mensal em modo de espera (Wh)

Subtotal

Equipamento qtde

Tempo Diário

de utilização horas) Semanal

(em

Mensal

Quarto

Tempo modo em de espera Mensal

1 Potência em uso (em watts)

Potência em modo de espera

Consumo Mensal em uso (Wh)

Consumo mensal em modo de espera (Wh)

Subtotal

P0000141-00 - Parte Educação em Ciências integrante da Oficina Ltda. Reprodução Geração Proibida.

de Energia Eletrica, Art. 184 1ª Edição do Código Copyright Penal e Lei 9.610 © de 19 de 2015 Abramundo fevereiro de 1998. -

Material adicional

Material por aluno Folha Consumo de energia elétrica residencial

• Calculadora

Calculadora (adicional)

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Atividade 1

Como estimar o consumo de energia elétrica na sua casa?

Pratique!

1

A conta de luz que chega à sua casa todos os meses apresenta, além do valor a ser pago, a quantidade de energia consumida em quilowatt-hora (kWh). Você sabe o que representam essa e outras unidades utilizadas em equipamentos elétricos?

Pratique!

1

Para que os alunos possam realizar a estimativa do consumo de energia elétrica e saber quais são os equipamentos que mais consomem energia, eles deverão reconhecer algumas unidades de medida presentes nos equipamentos elétricos e identificar quais estão relacionadas ao consumo de energia elétrica.

FIQUE SABENDO As especificações dos equipamentos elétricos, apresentadas em etiquetas, utilizam as seguintes grandezas físicas: Tensão elétrica – medida em volts (V), representa a tensão ou faixa de tensão em que o equipamento deve ser ligado. Nos transformadores, como carregadores de celular, por exemplo, é informada a tensão de entrada (input) e de saída (output).

Corrente elétrica – medida em ampères (A), está relacionada ao movimento das cargas elétricas que transportam a energia elétrica. Pode ser de dois tipos: contínua, como a obtida com o uso de pilhas e baterias, ou alternada, como a da rede elétrica das casas.

Com

Potência elétrica – medida em watts (W), representa o quanto de energia o equipamento consome por segundo.

a.

2

As informações apresentadas na página ao lado foram obtidas de etiquetas de informações sobre especificações elétricas encontradas em diferentes aparelhos.

8

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b.

nta, mida sa e

das icas

BEBEDOURO

REFRIGERADOR

Modelo: LAPAPUTR14S Série: 9FKQ15741 Cor: BRANCA Tensão: 127 - 220 V ~ Frequência: 50 – 60 Hz Potência: 85 W

Modelo: CRC28EBANA Série: JJ8770277 R134a: 75g Tensão: 127 V ~ Frequência: 60 Hz Potência: 90 W

CAFETEIRA

PICADOR DE PAPEL

Modelo: RI 7546 127 V ~ 50 – 60 Hz Potência: 1.100 W

Modelo: S514 Série: 0000061 Tensão: CA 120 V Frequência: 60 Hz Potência consumida: 270W Duração do cliclo: 15 – 30 min

JARRA ELÉTRICA

2

Peça aos alunos que identifiquem a tensão elétrica, a corrente elétrica e a potência elétrica nas informações apresentadas. Eles deverão perceber que alguns equipamentos não trazem informações sobre a corrente elétrica, mas que todos apresentam a tensão e a potência.

Modelo: JR1001BR Tensão: 127 V ~ 60 Hz Potência: 1.000 W Com relação a esses equipamentos, responda: a. Quais podem ser ligados em uma tomada de 127 V? E em uma de 220 V?

b. Quais consomem mais energia elétrica para funcionar? O que há em comum entre eles?

9

a. Todos os equipamentos podem ser ligados em uma tomada de 127 V. Em uma tomada de 220 V, somente o bebedouro.

Chame a atenção dos alunos para este último, que foi projetado para funcionar nas duas faixas de tensão (127 V e 220 V), como muitos equipamentos eletrônicos.

Você pode perguntar o que aconteceria se a jarra elétrica, por exemplo, fosse ligada a uma tomada de 220 V. Como a tensão elétrica é quase o dobro da especificada pelo fabricante, o equipamento ficaria danificado (“queimado”) e não funcionaria mais. b. Os equipamentos que mais consomem energia elétrica são a cafeteira (1.100 W) e a jarra elétrica (1.000 W). A principal semelhança entre esses dois equipamentos é que ambos utilizam a energia elétrica para aquecimento.

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Atividade 1

Como estimar o consumo de energia elétrica na sua casa?

FIQUE SABENDO

3

Para estimar o consumo de energia elétrica, os alunos deverão preencher a folha Consumo de energia elétrica residencial utilizando os dados da folha Informações sobre equipamentos elétricos.

Para facilitar o acesso às informações sobre o consumo de energia elétrica, o Inmetro exige a aplicação da Etiqueta de Eficiência Energética em diversos aparelhos. Para um aparelho elétrico, como um refrigerador, por exemplo, as informações apresentadas são as seguintes:

Energia Fabricante Marca

REFRIGERADOR

(Elétrica)

ABCDEF XYZ (Logo)

Tipo de degelo Modelo/tensão(V)

ABC/Automático IPQR/220

Indica o tipo de equipamento Indica o nome do fabricante Indica a marca comercial ou logotipo Indica o modelo/tensão

Mais eficiente A letra indica a eficiência energética do equipamento

D E F G

Menos eficiente

XY,Z

CONSUMO DE ENERGIA (kWh/mês) adotado no teste clima tropical

Volume do compartimento refrigerado ( L ) Volume do compartimento do congelador ( L ) Temperatura do congelador ( oC )

Indica o consumo de energia, em kWh/mê s

000

000 – 18

Regulamento específico para uso da etiqueta nacional da conservação de energia Linha de refrigeradores e assemelhados - RESP/001-REF Instruções de instalação e recomendações de uso, leia o Manual do aparelho.

PROCEL

PROGRAMA NACIONAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

INMETRO

IMPORTANTE: A REMOÇÃO DESTA ETIQUETA ANTES DA VENDA ESTÁ EM DESACORDO COM O CÓDIGO DE DEFESA DO CONSUMIDOR

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Procedimento 1

Estimativa de consumo de energia elétrica I) Para uma estimativa bem próxima da realidade, é importante que os alunos utilizem os dados de tempo e potência mais precisos. Um erro bastante comum no preenchimento desse quadro é com relação às frações de horas. É usual, por exemplo, um aluno representar o tempo de uma hora e trinta minutos como 1,3 hora, quando o correto seria 1,5. Chame a atenção deles para que não cometam esse tipo de erro.

Se achar necessário, escreva no quadro a conversão de alguns intervalos de minutos em frações de horas, como exemplificado abaixo.

Minutos

6

12

18

24

30

36

42

48

54

Fração de horas

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

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3

Faça a estimativa da quantidade de energia elétrica que você e sua família consomem nas atividades comuns em casa.

Procedimento 1

Estimativa de consumo de energia elétrica

I) NA FOLHA Consumo de energia elétrica residencial, identifique todos os aparelhos e equipamentos elétricos que há em cada cômodo da sua casa e o tempo em que eles permanecem em funcionamento.

II) UTILIZE OS DADOS do conjunto de folhas Informações sobre equipamentos elétricos e preencha as colunas Potência em uso e Potência em modo de espera (stand-by).

III) CALCULE O TEMPO de utilização mensal de cada apa-

relho. Se o equipamento for utilizado diariamente, multiplique o tempo de utilização diária em horas por 30. Se o equipamento for utilizado semanalmente, multiplique o tempo de utilização semanal por 4,3. Para calcular o tempo em modo de espera, subtraia o tempo de utilização mensal do equipamento do número de horas em 30 dias (30 x 24 = 720 horas).

11

II) O consumo de energia de alguns equipamentos no modo de espera é proporcionalmente alto quando comparado com o seu consumo em funcionamento.

Você pode discutir isso com os alunos quando eles terminarem o preenchimento de todo o quadro.

III) Para exemplificar, faça o cálculo de utilização de dois aparelhos: um de uso diário e outro de uso semanal. Auxilie os alunos no uso da calculadora. Para calcular o tempo em modo de espera basta subtrair o tempo de utilização do equipamento do número de horas em um mês (720 horas).

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Atividade 1

Como estimar o consumo de energia elétrica na sua casa?

Procedimento 1 (continuação)

Procedimento 1 (continuação)

Estimativa de consumo de energia elétrica

Estimativa de consumo de energia elétrica

FIQUE SABENDO Alguns equipamentos eletrônicos, como televisores, computadores e aparelhos de som, consomem energia elétrica mesmo quando não estão sendo utilizados. É o chamado modo de espera, ou stand-by (traduzido do inglês: em espera ou no aguardo), que faz com que o equipamento esteja pronto para ser utilizado assim que se aciona um botão do controle remoto. Para que possam entrar em funcionamento rapidamente, parte dos circuitos elétricos permanecem energizados o tempo todo, mesmo quando não se está utilizando o equipamento.

IV) Escolha um dos alunos e peça que ele apresente os dados referentes a um dos aparelhos. Faça as contas junto com os alunos para exemplificar como deverão proceder para calcular a estimativa de consumo de energia elétrica.

IV) CALCULE O CONSUMO mensal em uso e em modo de es-

pera de cada aparelho. Para a coluna Consumo mensal em uso (Wh), multiplique a quantidade de cada equipamento pela potência e pelo tempo de utilização mensal. Para a coluna Consumo mensal em modo de espera (Wh), multiplique a quantidade de cada equipamento pela potência e pelo tempo em modo de espera.

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4

Você pode orientar os alunos a compararem os resultados obtidos entre si. Lembre-os de que o objetivo não é indicar quem consome mais ou menos energia elétrica, mas sim mostrar como essa energia é consumida na nossa casa. a. Como visto no exercício 2, os equipamentos que possuem maior potência são aqueles utilizados para aquecimento. b. Na maioria das vezes, o chuveiro elétrico é um dos equipamentos que mais consome energia em uma residência. Nesses casos, você pode reforçar a ideia de que tomar banho deixando o chuveiro

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m o a e

4

Analise o consumo de energia da sua casa:

Como explicar?

a. Qual equipamento tem maior potência elétrica?

A energia se conserva. Essa frase sintetiza um dos princípios básicos da Ciência e significa que a energia, de qualquer tipo, não pode ser destruída ou produzida, mas somente transformada. No caso da energia elétrica que é utilizada nas nossas residências, ela é transformada e obtida a partir de outras fontes de energia, como a hídrica, a eólica e a da queima de combustíveis, entre outras. O aumento no consumo de energia faz com que seja necessário aumentar a oferta com a construção de novas usinas ou com o aumento no consumo de combustíveis, por exemplo. Ao se identificar como a energia é utilizada nas nossas casas, pode-se propor ações concretas e eficazes para se reduzir o consumo, o que permite utilizar os recursos naturais de maneira racional e com menor impacto no ambiente.

b. Qual equipamento consome mais energia elétrica em um mês?

c. Qual a quantidade de energia elétrica consumida somente por deixar os aparelhos conectados à rede elétrica (em modo de espera ou stand-by)?

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ligado somente durante o mínimo tempo necessário é uma ótima maneira de economizar água e energia elétrica. c. Você pode calcular com os alunos, nas estimativas que fizeram, a porcentagem de energia que é consumida somente por deixar os equipamentos conectados à rede elétrica. Apesar de a potência desses equipamentos em modo de espera ser bem menor que a potência em funcionamento, o número de horas por mês durante o qual ficam em espera é muito grande, o que pode significar uma porcentagem significativa de energia elétrica consumida inutilmente.

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Atividade 2

Atividade 2 Como funciona o circuito elétrico de uma casa?

C o d

O que será feito?

O

O

s alunos montarão um circuito elétrico com um interruptor que permite controlar o funcionamento de uma lâmpada.

Eles ampliarão esta atividade montando o circuito de uma casa com quatro cômodos, cada cômodo com sua lâmpada e seu interruptor, de modo que cada lâmpada se acenda controlada apenas pelo interruptor do mesmo cômodo. Eles serão desafiados a montar também um circuito com interruptores em paralelo, que permite que se acenda e se apague uma mesma lâmpada em pontos diferentes.

Ou perm to d lizad con pad naç côm rupt mite de con terá elét

Como deve ser a instalação elétrica da iluminação de uma casa?

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Objetivos Com os procedimentos propostos nesta atividade, espera-se que os alunos: • Tenham contato com a ideia de corrente elétrica; • Conheçam como funciona um interruptor elétrico, a partir da construção de modelos; • Identifiquem as características de um circuito elétrico de uma casa, que permite controlar o acionamento de cada lâmpada em quatro cômodos diferentes; • Conheçam como funcionam os interruptores paralelos, a partir da construção de modelos.

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Como funciona o circuito elétrico de uma casa?

• Pilhas AA

Material para a classe

2 4 1

Porta-pilhas duplo AA com garra jacaré

• Rolo de fita crepe

Pilhas AA

Rolo de fita crepe

• Colchetes nº 3

Material por equipe

20 4 4 6 12 1

Colchetes nº 3

• Soquetes E10

Soquetes E10 Lâmpadas de 2,5 V

• Lâmpadas de 2,5 V

Clipes nº 1 Fios com garra jacaré

• Clipes nº 1

Folha Representação de instalação elétrica residencial com quatro cômodos

1

• Fios com garra jacaré

Folha Representação de instalação elétrica com interruptores paralelos

15

• Folha Representação de instalação elétrica residencial com quatro cômodos • Folha Representação de instalação elétrica com interruptores paralelos

010200188 Educação - Parte integrante em Ciências da Oficina Ltda. Reprodução Geração Proibida. e Consumo de Energia Art. 184 Eletrica, do Código 1ª Edição Penal e Lei 9.610 Copyright de 19 © 2015 de fevereiro Experiment de 1998. a-

O uso de lâmpadas e outras fontes de luz artificial permite que você realize atividades que seriam muito difíceis ou até mesmo impossíveis de serem realizadas sem a luz do sol. Mas como um interruptor consegue controlar o funcionamento de uma lâmpada? Como deve ser a instalação elétrica da iluminação de uma casa para que as lâmpadas de cada cômodo sejam controladas por somente um interruptor? Como funcionam os interruptores que permitem controlar o funcionamento de uma lâmpada de dois pontos diferentes? Nesta atividade, você construirá diferentes modelos de interruptores e terá como desafio a construção de duas instalações elétricas utilizadas nas residências.

• Porta-pilhas duplo AA com garra jacaré

010200187 Educação - Parte integrante em Ciências da Oficina Ltda. Reprodução Geração Proibida. e Consumo de Energia Art. 184 Eletrica, do Código 1ª Edição Penal e Lei 9.610 Copyright de 19 © 2015 de fevereiro Experiment de 1998. a-

O que você vai fazer?

Materiais utilizados nesta atividade

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Atividade 2

Como funciona o circuito elétrico de uma casa?

Pratique!

1

O interruptor é um dispositivo utilizado em diversos equipamentos para controlar seu funcionamento. Em uma residência, o tipo mais comum é o interruptor simples, que permite que se acenda ou se apague uma lâmpada ao se pressionar uma tecla.

Para conhecer como ele funciona, realize o procedimento a seguir.

Pratique!

1

Antes de iniciar a instalação elétrica de toda a casa, os alunos deverão construir e analisar o funcionamento de um único interruptor simples.

Procedimento 1

Montagem de um circuito com interruptor simples

I) NA FOLHA Representação de instalação elétrica residencial com quatro cômodos, coloque um colchete em cada uma das fendas no centro dos círculos azul e vermelho.

Pelo verso, abra cada uma das abas de cada colchete e prenda-as com fita crepe. Os dois colchetes representarão a entrada de energia elétrica em uma residência.

16

Procedimento 1

Montagem de um circuito com interruptor simples I) Esses dois colchetes representam o medidor de energia elétrica, conhecido popularmente por relógio de luz, que é colocado nas residências e é por onde chega a energia elétrica. Auxilie as equipes na fixação dos colchetes, observando que uma das abas deve permanecer perpendicular à folha, para facilitar a conexão com as garras jacaré.

II) Após os alunos montarem o circuito entre os pontos de entrada de energia e o soquete com a lâmpada rosqueada, coloque duas pilhas em um porta-pilhas e o circule pelas equipes. Somente encoste cada uma das garras jacaré em cada um dos discos do colchete. Se o circuito estiver montado corretamente, a lâmpada deve se acender no momento em que se estabelece o contato. Caso a lâmpada não se acenda, verifique se está rosqueada até o fundo do soquete e peça aos alunos que revejam as conexões. As equipes só deverão passar para o próximo passo após conseguirem fazer a lâmpada se acender. A montagem que deverão realizar é mostrada a seguir.

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ia, II) COLOQUE O SOQUETE em um dos

cômodos mais próximos da entrada de energia e rosqueie a lâmpada. Pelo verso, fixe o soquete com fita crepe. Utilizando os fios com garra jacaré, faça a conexão entre a entrada de energia e o soquete de maneira que a lâmpada se acenda.

uir.

o a o . s s m

FIQUE ATENTO A lâmpada deve se acender assim que seu professor energizar a entrada de energia elétrica. Se isso não ocorrer, reveja sua instalação e tente de outra forma.

III) PARA CONSTRUIR UM interruptor, coloque um colchete na abertura junto à ponta do clipe e prenda-o em uma das fendas que representam o interruptor que está no mesmo cômodo onde você colocou o soquete. Sem prender o clipe, insira outro colchete no outro furo. Pelo verso, abra cada uma das abas de cada colchete e prenda-as com fita crepe.

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III) Peça aos alunos que observem atentamente a forma como deverão passar os colchetes pelo clipe. Apenas um deles deve passar através do clipe, fixando-o na folha de papel, enquanto o outro deve ser colocado sem prendê-lo.

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IV) Peça aos alunos que avisem quando terminarem a montagem do circuito. Você deve passar pelas equipes com o porta-pilhas duplo com garras jacaré abastecido com as pilhas e fazer o papel da “companhia de energia elétrica”, ligando as duas garras jacaré aos colchetes que representam a entrada de energia elétrica em uma residência. A lâmpada deve se acender no momento em que o clipe estabelecer o contato entre os dois colchetes que formam o interruptor. Caso isso não aconteça, peça aos alunos que busquem identificar o problema. Desconecte o porta-pilhas para não descarregá-las no caso de curto-circuito.

Atividade 2

Como funciona o circuito elétrico de uma casa?

Procedimento 1 (continuação)

Montagem de um circuito com interruptor simples IV) INCLUA O INTERRUPTOR no circuito de maneira que a lâmpada só fique acesa quando o clipe estiver em contato com os dois colchetes.

FIQUE ATENTO No verso, nem as garras jacaré nem os colchetes devem ficar em contato. Se isso acontecer, a lâmpada permanecerá acesa, independentemente da posição do clipe em relação aos colchetes.

2

Um curto-circuito muito comum e que pode passar a falsa impressão de que o interruptor está funcionando corretamente é representado nas ilustrações abaixo.

Explique como o interruptor permite controlar o funcionamento da lâmpada.

18

Neste circuito, quando o interruptor é acionado, a lâmpada se apaga devido a um curto-circuito no próprio interruptor.

A montagem que os alunos deverão realizar ficará semelhante à mostrada abaixo.

2

Para facilitar a explicação, você pode sugerir que os alunos façam desenhos esquemáticos representando o circuito elétrico em dois momentos, com o interruptor aberto e fechado. Na explicação, veja se eles perceberam que, para controlar o funcionamento da lâmpada, o interruptor impede ou possibilita a passagem da corrente elétrica abrindo ou não o caminho por onde a corrente elétrica pode passar.

3

Na montagem do circuito elétrico de uma casa, os alunos deverão conectar cada um dos interruptores a uma única lâmpada. Reforce com os alunos a necessidade de planejar essa atividade com o uso de desenhos e esquemas, para não se confundirem na montagem.

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a) Conectar um dos colchetes de entrada de energia diretamente a um dos pontos de contato dos soquetes.

3

Em uma casa, cada interruptor controla o funcionamento da(s) lâmpada(s) de um único cômodo. As lâmpadas funcionam de forma independente, ou seja, o funcionamento de uma não depende se outra está ou não funcionando. Como você pode fazer a instalação elétrica de uma casa com quatro cômodos?

a o

ona-

Procedimento 2

Montagem da instalação elétrica I) NA FOLHA Representação de instalação elétrica residen-

Observe que não é preciso conectar todos os fios no mesmo ponto de entrada de energia. Os alunos poderão conectar os fios que estão ligados a outros soquetes para fazer essa ligação.

cial com quatro cômodos, coloque os soquetes e as lâmpadas em todos os cômodos, fixando-os pelo verso com fita crepe da mesma maneira feita no Procedimento 1.

II) PENSE EM UMA forma de ligar todas as lâmpadas de maneira que os interruptores possam controlar seu funcionamento.

b) Conectar o outro colchete de entrada de energia a um dos pontos de contato dos interruptores.

FIQUE ATENTO Para facilitar a resolução deste desafio, faça um desenho representando as ligações entre entrada de energia, interruptores e soquetes. Procure resolver uma única ligação por vez.

19

Procedimento 2

Montagem da instalação elétrica I) Distribua a fita crepe para as equipes fixarem os soquetes da mesma forma que fizeram no Procedimento 1.

Da mesma forma que no passo anterior, os alunos poderão fazer as ligações utilizando um mesmo colchete do interruptor.

c) Conectar cada um dos colchetes livres dos interruptores aos pontos de contato livres dos soquetes.

II) Existem diversas variações na solução deste problema, mas o circuito que será montado no final será semelhante ao representado a seguir, em diferentes etapas de montagem.

Configuração inicial

A montagem final deve ficar semelhante à exemplificada acima.

Caso os alunos encontrem dificuldade para fazer as montagens, peça que revejam o esquema de planejamento e pensem na ligação de uma lâmpada por vez.

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Atividade 2

Como funciona o circuito elétrico de uma casa?

4

Outro tipo de interruptor bem comum nas residências é o interruptor paralelo. Esse tipo de interruptor permite que se acenda ou se apague uma lâmpada a partir de dois pontos diferentes. É útil para corredores longos ou escadas. Mas como esse interruptor funciona?

4

Nesta montagem, os alunos conhecerão o funcionamento dos interruptores paralelos, que permitem controlar o funcionamento de uma lâmpada de dois pontos diferentes ao mesmo tempo. Utilize a sequência de imagens apresentadas no Fique sabendo para que os alunos observem e tentem explicar o funcionamento desse tipo de interruptor. Os alunos deverão perceber que, nos interruptores paralelos, há dois circuitos diferentes por onde a corrente elétrica pode circular e acender a lâmpada. As figuras A e C destacam esses dois diferentes circuitos.

FIQUE SABENDO Veja, esquematicamente, como funciona o interruptor paralelo.

A 2

B 2

1

1

A - Ao acionar o interruptor 1, a corrente elétrica chega à lâmpada (fio em vermelho), fazendo com que ela se acenda.

B - Ao acionar o interruptor 2, o caminho se abre e a lâmpada se apaga.

C 2

D 2

1

1

C - Ao acionar o interruptor 1 novamente, a corrente elétrica percorre um novo caminho e chega novamente à lâmpada.

Procedimento 3

Montagem de um circuito com interruptor paralelo

D - Ao acionar o interruptor 2, o novo caminho se desfaz e a lâmpada se apaga.

20

I e II) Da mesma forma que já fizeram nas atividades anteriores, os alunos deverão colocar os colchetes para representar a entrada de energia e o soquete no centro da folha.

III) A principal diferença entre um interruptor simples e um paralelo é o número de pontos de contato. Em vez de somente dois pontos de contato, como observado no interruptor simples, no interruptor paralelo há três pontos.

IV) Para fazer a ligação dos fios, peça aos alunos que observem o esquema de ligação apresentado no Fique sabendo e tentem montar algo semelhante. Caso alguma equipe encontre muita dificuldade, sugira a sequência de montagem indicada a seguir.

Pegar dois fios e ligar dois terminais de cada um dos interruptores entre si.

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se e

Procedimento 3

Montagem de um circuito com interruptor paralelo I) NA FOLHA Representação de instalação elétrica com in-

terruptores paralelos, coloque um colchete em cada uma das fendas no centro dos círculos azul e vermelho. Pelo verso, abra uma das abas de cada colchete e prenda-as com fita crepe. Esses dois colchetes representarão a entrada de energia elétrica em uma residência.

Como explicar?

Um circuito elétrico é um caminho por onde cargas elétricas circulam. Em um circuito formado por uma lâmpada, uma pilha e fios, por exemplo, quando se forma um caminho fechado, no qual cada um dos terminais da lâmpada está em contato com um dos polos da pilha, a lâmpada se acende. Se um dos contatos desse circuito for desfeito, a lâmpada se apaga. Esse é o princípio de funcionamento de um interruptor. Ao acionar a tecla, se estabelece ou se interrompe o contato, permitindo se acender ou se apagar a lâmpada.

II) COLOQUE O SOQUETE no furo central e rosqueie a lâm-

pada. Pelo verso, fixe o soquete com fita crepe.

III) PARA CONSTRUIR OS interruptores paralelos, coloque três colchetes, um em cada fenda da folha, prendendo a extremidade do clipe em um dos colchetes. Pelo verso, fixe uma das abas de cada colchete com fita crepe.

IV) PELO VERSO, UTILIZE os fios com garra jacaré e faça a ligação dos interruptores e do soquete.

FIQUE ATENTO Para que o circuito com interruptores paralelos funcione corretamente é preciso que os clipes estejam sempre em contato com dois colchetes. Se um dos clipes não estiver nessa condição, o circuito não funcionará.

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Ligar um fio a um dos colchetes que representam a entrada de energia elétrica e conectá-lo ao terminal livre de um dos interruptores.

Ligar o outro colchete que representa a entrada de energia a um dos terminais do soquete. O outro terminal deve ser ligado ao colchete livre do outro interruptor.

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Atividade 3 Como a energia elétrica é gerada?

Atividade 3

C e O

Exis No B e te tipo acio a en com tran ativ men um

O que será feito?

O

s alunos conhecerão o fenômeno da indução eletromagnética, que é o que possibilita a geração de energia elétrica nos geradores convencionais, utilizados em diversos tipos de usina. Eles investigarão como o movimento de um ímã é alterado quando ele se movimenta próximo a um condutor que não seja ferromagnético e construirão um modelo de gerador elétrico por agitação, que permite compreender o princípio de geração de energia elétrica nesse tipo de equipamento.

Turbina da Usina Hidrelétrica de Itaipu.

22

Objetivos Com a realização dos procedimentos propostos nesta atividade, espera-se que os alunos: • Elaborem hipóteses para explicar a alteração de movimento de um ímã quando próximo de um condutor; • Conheçam, a partir da construção de um modelo de gerador elétrico, como a energia elétrica é gerada; • Testem como algumas variáveis, como o aumento da velocidade da variação do campo magnético ou a mudança da intensidade do campo magnético, interferem no funcionamento de um gerador.

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Como a energia elétrica é gerada?

O que você vai fazer?

Existem diferentes formas de gerar energia elétrica.

No Brasil, as mais comuns são as usinas hidrelétricas e termelétricas. O que muda em cada um desses tipos de usina é a fonte de energia utilizada para acionar o gerador, equipamento que transforma a energia de movimento em energia elétrica. Mas como funciona um gerador? O que é preciso para transformar movimento em energia elétrica? Nesta atividade, você conhecerá o princípio de funcionamento do gerador elétrico por agitação e construirá um desses equipamentos.

Materiais utilizados nesta atividade • Placas de alumínio de 200 x 100 x 1 mm

Material para a classe

2

Conjuntos para o experimento Deslizamento do ímã sobre a placa de alumínio, compostos de:

• Ímãs de neodímio

• 1 placa de alumínio de 200 x 100 x 1 mm

• Porcas de 1/4”

• 1 porca de ¼” • 1 ímã de neodímio

2

Conjuntos para o experimento Descida do ímã dentro de tubos diferentes, compostos de:

• Tubos de plástico de 20 cm

• 1 tubo de plástico de 20 cm • 1 tubo de alumínio de 20 cm

• Tubos de alumínio de 20 cm

• 1 ímã de neodímio

1 1

Folha de lixa Rolo de fita isolante

• Folha de lixa

Material por equipe

1 2 2 1 1

Fio de cobre esmaltado, 30 AWG, de 12 m

• Rolo de fita isolante

Rolhas de EVA perfuradas Fios-cabo, 22 AWG, de 1 m

• Fio de cobre esmaltado, 30 AWG, de 12 m

LED de 10 mm Tubo de 7 cm

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• Rolhas de EVA perfuradas • Fios-cabo, 22 AWG, de 1 m • LED de 10 mm • Tubo de 7 cm

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Atividade 3

Como a energia elétrica é gerada?

Pratique!

Pratique!

1

Antes de trabalhar diretamente com a geração de energia elétrica, você investigará como ocorre o movimento de um ímã próximo de materiais isolantes e condutores, identificando as diferenças e buscando explicações para o que observou. Realize os testes do deslizamento do ímã sobre a placa de alumínio e da descida do ímã dentro de tubos diferentes.

1

Divida os alunos em quatro equipes.

Eles deverão realizar um dos experimentos indicados no material do aluno e, depois, trocar de material para fazer o outro experimento.

Procedimento 1

FIQUE SABENDO Nem todos os metais são atraídos por ímãs. Na verdade, os metais mais comuns atraídos por ímãs são ferro, níquel, cobalto e outras ligas metálicas que possuem esses metais na composição. As substâncias e os materiais atraídos por ímãs são chamados de ferromagnéticos.

Deslizamento do ímã sobre a placa de alumínio

Procedimento 1

Deslizamento do ímã sobre a placa de alumínio

I e II) Você pode sugerir aos alunos que coloquem outros objetos sob a placa para que ela fique com a mesma inclinação durante os testes.

III) Os alunos deverão observar que, quando a porca é colocada diretamente em contato com a placa, o conjunto ímã-porca desce com velocidade maior do que quando o ímã está em contato com a placa. Peça às equipes que repitam o teste algumas vezes para que percebam essa alteração na velocidade de descida. Oriente os alunos a buscarem uma explicação para o que observaram, e testarem suas hipóteses. Por exemplo, se algum aluno informar que o ímã desce mais lentamente porque é atraído pelo alumínio, peça que teste essa ideia para ver se é aplicável ou não. O aluno poderá, por exemplo, aproximar o ímã da placa e perceber que não se observa nenhuma força de atração ou repulsão.

I) COLOQUE O ÍMÃ centralizado na porca de 1/4”.

II) APOIE O ÍMÃ diretamente sobre a

placa de alumínio, próximo a uma das bordas menores. Mantendo a outra borda menor apoiada na mesa, suspenda a borda próxima ao ímã até que o conjunto ímã-porca comece a deslizar pela placa.

24

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o as ze da

III) MANTENDO A INCLINAÇÃO da placa de alumínio, repita o passo anterior, mas agora com a porca colocada diretamente sobre a placa. Observe o que acontece com a velocidade de descida do conjunto ímã-porca.

Procedimento 2

Descida do ímã dentro de tubos diferentes

Procedimento 2

Descida do ímã dentro de tubos diferentes I) PEGUE O TUBO de plástico

e coloque-o na vertical. Insira um ímã na ponta que está voltada para cima e observe o movimento do ímã.

II) REPITA A ATIVIDADE, mas agora com o tubo de alumínio.

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a s a e -

2

Como você explicaria o que observou?

25

I e II) Os alunos deverão perceber que o ímã desce com velocidade muito menor pelo tubo de alumínio do que quando desce pelo tubo de plástico. Você pode sugerir que eles tentem marcar o tempo de queda dentro de cada um dos tubos para evidenciar ainda mais a diferença de velocidade. Caso os alunos indiquem que isso ocorre devido ao atrito entre o ímã e a parede interna do tubo de alumínio, peça que observem que há a mesma folga entre o ímã e a parede do tubo de plástico, no qual não se observa redução na velocidade de queda. Para evidenciar também essa diferença, você pode alinhar os tubos de plástico e de alumínio de maneira que o ímã desça atravessando os dois tubos na sequência.

2

Deixe os alunos apresentarem suas conclusões e ideias. Sempre que eles propuserem algo que pode ser testado, solicite a realização de testes. Eles deverão perceber que há uma força contrária ao movimento de descida do ímã nos dois experimentos realizados que só é observada quando o ímã se movimenta muito próximo a um corpo de metal. Eles retomarão essas ideias quando testarem o gerador elétrico.

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Atividade 3

Como a energia elétrica é gerada?

3

3

Com a construção de um gerador elétrico por agitação, espera-se que os alunos conheçam o princípio utilizado na maioria das usinas que geram energia elétrica no Brasil.

Para conhecer como funciona um gerador elétrico, você construirá um que funciona por agitação.

Procedimento 3

Montagem do gerador elétrico por agitação

I) PASSE UMA DAS pontas do fio de cobre esmaltado por dentro de uma das rolhas de EVA perfuradas e insira o tubo de modo a prender essa ponta.

Procedimento 3

Montagem do gerador elétrico por agitação

II) COLOQUE A OUTRA rolha no tubo e deixe-a a uma distância de aproximadamente 0,5 cm da primeira. Enrole o fio de cobre no espaço entre as duas rolhas.

I) Os alunos deverão passar um pedaço de fio de cobre com aproximadamente 4 cm de comprimento por dentro da rolha e inserir o tubo em seguida para prender o fio entre a parede externa do tubo e a rolha.

II) Peça que eles observem a distância que deve haver entre as rolhas. O fio de cobre de 12 m será enrolado nesse espaço de 0,5 cm. Peça aos alunos que façam essa etapa com cuidado, para não embaraçarem o fio enquanto o enrolam. Oriente toda a equipe a trabalhar para garantir um bom enrolamento do fio.

III) Para facilitar a retirada do esmalte isolante, você pode também passar as pontas dos fios sobre uma chama e retirar o esmalte queimado com a lixa. Lixe bem as pontas até que perceba que todo o esmalte foi retirado, o que pode ser notado pela mudança da cor do fio. Enrole bem as pontas dos fios para garantir um bom contato elétrico.

FIQUE ATENTO Para evitar a formação de pequenas dobras, solte o fio aos poucos antes de enrolá-lo.

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IV) Os alunos deverão manter os dois fios do LED afastados para não formar um curto-circuito que impediria o seu acendimento. Peça que um membro da equipe segure o LED enquanto outro agita o gerador. Eles deverão perceber que, quando o ímã passa por dentro da bobina formada pelo fio enrolado, o LED pisca. Caso isso não ocorra, peça que agitem o ímã mais rapidamente e verifiquem as emendas dos fios e se a camada isolante de esmalte do fio de cobre foi retirada adequadamente.

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4

III) APÓS ENROLAR TODO o fio, lixe

Para que os alunos identifiquem as variáveis que interferem no funcionamento do gerador, eles realizarão alguns testes propostos.

• Ao se colocar apenas o ímã dentro do gerador, o LED permanece apagado, demonstrando que não é a presença do ímã que gera a energia elétrica.

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4

as pontas com cuidado para remover o esmalte isolante. Emende em cada uma das pontas um pedaço de fio-cabo. Fixe as emendas encapadas no tubo com fita isolante.

IV) PRENDA O LED nas pontas dos fios. Para testar, coloque o ímã no interior do tubo, tampe as pontas com os dedos e agite, fazendo o ímã se mover. Varie a velocidade de agitação enquanto observa o LED.

4

• Ao se agitar o gerador sem o ímã dentro, o LED permanece apagado, demonstrando que não é somente o movimento que vai gerar a energia elétrica.

• Ao se colocar dois ímãs dentro do tubo, o campo magnético resultante é mais intenso que o de um único ímã, permitindo que seja possível fazer o LED piscar sem que seja necessário agitar o gerador muito rapidamente.

Utilize o seu gerador manual para fazer os seguintes testes: •

O que acontece se só for inserido o ímã, sem se agitar o gerador?

•

O que acontece se só for agitado o gerador, sem se inserir o ímã?

•

O que acontece se o tubo for agitado com dois ímãs dentro, em vez de apenas um?

27

Como explicar?

A geração de energia elétrica se baseia no princípio da indução eletromagnética, fenômeno descoberto quase ao mesmo tempo por Michael Faraday (1791-1867) e Joseph Henry (1797-1878) e que hoje é utilizado na maioria dos geradores elétricos. O que eles descobriram é que, quando há um campo magnético que varia no tempo, como quando um ímã se movimenta, por exemplo, é gerado um campo elétrico nas proximidades.

No exemplo do ímã descendo pela placa de alumínio, a variação do campo magnético devido a essa movimentação gera um campo elétrico. E, como na placa de alumínio há cargas elétricas que podem se mover (elétrons livres), esse campo gera uma corrente elétrica. Esta, por sua vez, gera um campo magnético que é contrário ao movimento do ímã. É por isso que se observa uma menor velocidade do ímã quando ele desce pela placa ou por dentro do tubo de alumínio.

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Faça em casa

Faça em casa Construção de um “jogo elétrico”

Construção de um “jogo elétrico” Material

1 1 2

Suporte de EVA Fio com garras jacaré

O

s alunos montarão um jogo que desenvolve a coordenação motora fina deles. Nesse jogo, eles prepararão um circuito elétrico no qual a lâmpada vai acender-se quando a arruela tocar o fio de cobre, fechando o circuito. O objetivo é que eles consigam percorrer todo o fio de cobre com a arruela sem que ela toque o fio. Sugira aos alunos que montem um primeiro circuito sem muitas curvas, para começar a praticar, e, depois, remodelem o fio para tornar o desafio mais difícil. Incentive os alunos a comentarem o que observaram.

Fios, 22 AWG, de 20 cm

1 1 1

Fio de cobre sólido, 16 AWG, de 50 cm Soquete E10 Lâmpada de 2,5 V

1 2 1

Porta-pilhas duplo com garra jacaré Pilhas AA (adicional)

Arruela M20

I) MOLDE O FIO de cobre de 50 cm em um formato com várias curvas.

II) ROSQUEIE A LÂMPADA no soquete

e coloque um pedaço de fio de 20 cm em cada um dos terminais.

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III) RETIRE UM DOS blocos do suporte de EVA e passe os fios por ele, encaixando o soquete.

IV) SIGA A SEQUÊNCIA de montagem a seguir.

Prenda uma das garras jacaré do fio à arruela.

Prenda a outra garra jacaré do fio em um dos fios ligados ao soquete.

Passe uma das pontas do fio moldado através da arruela e prenda as pontas às fendas do suporte. A arruela deve ficar presa ao fio.

Ligue uma das garras jacaré do porta-pilhas no fio moldado e a outra ao fio do soquete.

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Faça em casa

Construção de um “jogo elétrico”

V) TESTE O CIRCUITO montado.

Quando a arruela tocar no fio, a lâmpada deve se acender. Caso isso não ocorra, reveja os contatos realizados no passo IV.

VI) O JOGO CONSISTE em fazer a arruela passar por todo o fio de cobre sem deixar que a lâmpada se acenda. Ganha quem conseguir realizar essa tarefa mais rapidamente.

BOA ATIVIDADE!

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Aplicação FSC

Avaliado pela Ritla pelos Projetos de Belo Horizonte e Salvador

Recomendado em estudo publicado pela Unesco no Brasil

Indicado pelo Guia de Tecnologias Educacionais do MEC

Vencedor do Prêmio Top Educação 2014 Projetos Educativos

ISBN 978-85-93201-60-8

9 788593 201608

10030004 Geração e cons. de energia elétrica Livro do Professor - 1ª Edição

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