Conteúdos
Resistência e Resistividade Elétrica
Objetivos
Neste roteiro serão lapidados os conceitos de resistência elétrica e de resistividade elétrica.
1ª Etapa: Leitura e interpretação de texto
O texto a seguir, publicado no caderno FOVEST da Folha de S. Paulo em 06/11/2003, deverá servir como resgate de alguns conceitos de eletrodinâmica vistos anteriormente.
A revolução dos supercondutores – TARSO PAULO RODRIGUES
Toda usina hidrelétrica, como Itaipu, por exemplo, desperdiça, sob forma de calor, até 20% da energia produzida. No trajeto entre a usina e o consumidor, ocorre uma dissipação da energia elétrica devido à resistência elétrica dos fios metálicos que conduzem eletricidade. Verifica-se experimentalmente que a resistência elétrica (R) de fios e barras é diretamente proporcional ao comprimento (L) desses condutores e inversamente proporcional à área de sua secção transversal (A).
A resistência elétrica é calculada por: R = ?.L/A, em que a resistividade (?) é característica do material de que são feitos esses condutores e expressa a maior ou a menor fluidez com que a corrente elétrica atravessa determinado material. Para a maioria dos metais, a resistividade aumenta com a temperatura, mas, quando a temperatura é reduzida e se aproxima do zero absoluto (zero kelvin = – 273C), ocorre um caso particularmente importante.
Em 1911, o físico holandês Heike Onnes, um dos pioneiros no desenvolvimento de técnicas para o resfriamento de materiais, pesquisou a resistividade elétrica do mercúrio e percebeu que esse material perdia a sua resistência elétrica de forma completa e abrupta ao ser resfriado abaixo de 4K (-269ºC). Ele denominou "supercondutividade" esse estado de resistência zero. Para produzir tal efeito, o material deve ser resfriado abaixo de uma determinada temperatura, característica de cada material, e, quanto mais baixa é essa temperatura, maior é o custo de sua refrigeração.
Desde 1986, têm sido descobertas cerâmicas feitas com óxidos de certos elementos, como bário, lantânio, ítrio, cobre e outros, que se tornaram supercondutoras a temperaturas bem mais altas (-143ºC), um resultado animador para a viabilidade econômica da supercondução.
Outra característica notável de um supercondutor é a impermeabilidade magnética, ou seja, ele é capaz de repelir um campo magnético externo e consegue fazer, por exemplo, com que um ímã permanente "levite" sobre a sua superfície. Esse fato permite conceber o seu uso para suspender trens que poderão desenvolver altíssimas velocidades, flutuando sobre trilhos magnetizados.
O russo Alexei Abrikosov, um dos três vencedores do Prêmio Nobel deste ano, que lhe foi concedido por sua contribuição inovadora à teoria dos supercondutores, disse que as aplicações futuras desses materiais serão tão extraordinárias que todo o estilo de vida e os equipamentos que usamos irão mudar por completo.
Depois de lido e discutido o texto, os alunos, individualmente ou em pequenos grupos, deverão responder às seguintes perguntas:
- Você sabe a diferença entre resistividade e resistência elétrica? A resistividade elétrica é característica de cada material. E a resistência elétrica, é característica do material? Por quê? De que depende a resistência elétrica?
- A resistividade de um material varia em função da temperatura? E a resistência? Por quê?
- A que se deve a perda de energia na forma de calor quando um condutor é atravessado por uma corrente elétrica? Que nome se dá a esse efeito?
- O que caracteriza um supercondutor? Quais as condições necessárias para que se obtenha um material com tal propriedade? Avalie a resistividade elétrica de um supercondutor.
- Se, no futuro, os supercondutores se tornarem economicamente viáveis, imagine as mudanças (econômicas, sociais, ambientais) que esse avanço tecnológico acarretará.
2ª Etapa: Experimento e sua relação com os conceitos discutidos no texto por meio de uma abordagem fenomenológica
O experimento simples, descrito a seguir, deve ser demonstrado em sala ou laboratório. O fenômeno observado no experimento deve ser comparado com os conceitos introduzidos no texto da etapa 1.
a) Em um forno de microondas, coloque uma uva (de preferência do tipo Itália) cortada ao meio sobre um pires. No entanto, as duas metades permanecem unidas por uma fina camada de casca. É importante que a uva não esteja muito madura.
Acione o forno de micro-ondas por cerca de 15 segundos. Faíscas deverão sair da parte que une as duas metades. Neste momento, desative o funcionamento do forno. Repita esse procedimento para pequenos grupos, assim todos poderão observar bem. Peça aos alunos que observem e depois descrevam o fenômeno que se dá quando o forno é ligado. Eles devem anotar todas as informações possíveis (materiais, procedimentos, tempo de funcionamento, potência do forno, etc).
b) Retire o pires do interior do forno e mostre aos alunos que a parte “queimada” está justamente na interface das duas metades. Isso também deve ser registrado.
c) Algumas explicações químico-físicas serão necessárias, antes que os alunos estejam aptos a interpretar o fenômeno. Explique que a uva é uma fruta ácida, e por isso apresenta íons H+ em seu sumo. As micro-ondas emitidas pelo forno são capazes de acelerar esses íons, que passam a circular na uva. Circulação de carcas através de um condutor em dada direção e sentido constitui uma corrente elétrica! Nesse caso a uva é o condutor.
d) Os alunos devem, então, levantar hipóteses que expliquem o fenômeno observado, relacionando-o aos conceitos de corrente elétrica, resistividade, resistência elétrica e efeito Joule.
e) Um procedimento opcional é comparar o fenômeno observado com o funcionamento de uma lâmpada.
Os íons H+ ao atravessarem a “emenda” das duas metades da uva passam por uma região de elevada resistência elétrica devido a pequena espessura (se comparada à de cada metade). O mesmo acontece com os elétrons ao passarem através do filamento de uma lâmpada. Peça aos alunos que observem filamentos de diferentes lâmpadas incandescentes a fim de constatar que eles são extremamente finos quando comparados às hastes onde estão conectados. Em ambos os casos, o efeitos Joule nessas regiões de alta resistência elétrica é intensificado, havendo, além do calor gerado, emissão de luz.
3ª Etapa: Comparando situações opostas
Nesta etapa os alunos devem comparar o efeito observado na uva com os supercondutores descritos no texto da etapa 1, no que se refere às resistências elétricas em cada caso. Os alunos devem perceber que, no caso dos supercondutores, não há efeito Joule já que a resistência elétrica é nula. Devem ainda observar que a resistência elétrica é nula porque a resistividade elétrica é nula a baixíssimas temperaturas para os supercondutores (e não o contrário!). Já no caso das uvas no forno de micro-ondas, tem-se uma situação em que a resistência elétrica de uma região é maior devido à pequena espessura, embora o material (polpa da uva) seja o mesmo, não havendo, portanto, variação de resistividade. Nesse caso, o efeito Joule é predominante.
Materiais Relacionados
É muito comum que haja confusão entre os conceitos de resistividade elétrica – que depende do material de que é feito um condutor e de sua temperatura – e de resistência elétrica – que depende não só do material, mas da geografia do condutor.
Neste roteiro, a ideia é comparar um supercondutor e uma situação em que o efeito Joule é predominante. Diferentes estratégias serão utilizadas: leitura e análise de texto, experimento, formulação de hipóteses e conclusões. O ideal é que as atividades apresentadas abaixo sejam realizadas quando os alunos já estiverem familiarizados com as leis de Ohm.
Reveja conceitos sobre resistência elétrica e resistividade elétrica :
Corrente & Resistência
Resistência e Resistividade
Resistência e Resistividade Elétrica
Simule:
Ohms
Resistência
Essas duas simulações permitem uma boa compreensão sobre a resistência de um condutor e da forma como a resistência influencia na corrente elétrica, quando o resistor estiver acoplado a um circuito. Uma sugestão é utilizá-las com os alunos quando as leis de Ohm forem apresentadas.