Ciências

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Serão feitas no caderno.

História da Eletricidade

UMA ANÁLISE DA HISTÓRIA DA ELETRICIDADE PRESENTE EM LIVROS DIDÁTICOS: O CASO DE BENJAMIN FRANKLIN

I. Introdução

Nos últimos anos, a História da Ciência vem sendo introduzida em materiais didáticos utilizados em sala de aula. Uma das razões para isso é a pressão de órgãos governamentais, tais como a Secretaria de Educação Básica, responsável pela avaliação desses livros dentro do Programa Nacional de Livros Didáticos para o Ensino Fundamental e Médio. Os editais destes programas apontam para a importância da apresentação da ciência como construída historicamente (PNLD/ 2007), bem como enfocar a evolução das ideias científicas, explicitando o caráter transitório e de não-neutralidade do conhecimento científico (PNLEM/ 2007). No entanto, a História da Ciência presente nos livros didáticos analisados é superficial, com muitos erros historiográficos e, além do mais, transmite visões sobre a natureza da ciência e de seu método que não correspondem aos conhecimentos epistemológicos atuais. De uma maneira geral, esses livros reforçam a ideia da existência de grandes gênios, valorizam apenas os conhecimentos que coincidem com os aceitos atualmente e, além disso, muitas obras trazem uma visão empírico- indutivista sobre a dinâmica científica.

Este trabalho analisa como a história da eletricidade é apresentada em livros didáticos voltados tanto para o Ensino Fundamental quanto para o Médio. Em particular, analisamos como as contribuições de Benjamin Franklin são abordadas do ponto de vista da qualidade das informações históricas e das ideias sobre a natureza da ciência (McCOMAS, ALMAZROA, CLOUGH, 1998) que estes relatos históricos induzem.

II. A eletricidade no século XVIII

Dentre todos os fenômenos que ocupavam os físicos, a eletricidade foi o que trouxe mais contribuições fundamentais para o ramo da filosofia natural que chamamos hoje de física no século XVIII. Na metade deste século, o estudo dos fenômenos elétricos era um dos ramos principais da filosofia natural experimental. O estudo intensivo e as demonstrações públicas de descargas elétricas, choques e outros efeitos tornou-se possível graças à invenção e ao aperfeiçoamento de grandes máquinas elétricas e também pela recém inventada garrafa de Leyden.

Mas como a eletricidade podia gerar atrações e repulsões sem contato direto?

Tais efeitos eram produzidos por mecanismos desconhecidos e, por isso, muitos autores do período tentaram elucidar os efeitos que a matéria sutil invisível poderia produzir. Ninguém sabia ao certo quais seriam as misteriosas causas de tais fenômenos. Os efeitos elétricos podiam ser transmitidos a grandes distâncias através de fios metálicos ou mesmo através de corpos humanos indicando que a eletricidade poderia ser uma espécie de fluido especial e diferente da matéria comum. Na primeira metade do século XVIII havia várias perguntas ainda sem respostas. Entre elas, podemos citar a explicação da atração e posterior repulsão que ocorrem quando um corpo neutro é aproximado de um corpo eletrizado. O francês Charles-François de Cisternay Dufay (1698-1739) teve um importante papel na solução desse enigma ao explicar o mecanismo de atração, contato e posterior repulsão que ocorre quando, por exemplo, um pedaço pequeno de uma folha é atraído por um bastão de vidro eletrizado, mas é repelido após entrar em contato com ele. Dufay procurou determinar em quais situações os corpos eletrizados podiam se atrair ou repelir, descobrindo que uma folha de ouro que havia sido eletrificada por contato com vidro atritado era repelida pelo vidro, mas era atraída por um pedaço de resina atritada. Com isso, estabeleceu a existência de dois tipos de materiais que apresentavam comportamentos distintos os que se comportavam como a cera e a resina e os que se comportavam como o vidro.

Foi então que Dufay estabeleceu a hipótese de dois tipos de eletricidade; a vítrea e a resinosa:

Nós percebemos que existem dois tipos de eletricidade totalmente diferentes de natureza e nome; aquela dos sólidos transparentes como o vidro, o cristal etc. e aquelas betuminosas ou de corpos resinosos tais como o âmbar, o copal, a cera de lacre etc. Cada uma repele corpos que adquiriram a eletricidade de sua mesma natureza e atrai aquelas de natureza contrária. Nós pudemos perceber que mesmo os corpos que não são elétricos podem adquirir alguma destas eletricidades e passam a agir como os corpos que as cederam (Dufay apud WHITTAKER, 1973, p. 44).

O francês Jean-Antoine Nollet (1700 1770) deu continuidade aos estudos de Dufay. Nollet foi um dos pesquisadores experimentais mais importantes do período, criou vários equipamentos para exibir e demonstrar os efeitos elétricos, propôs novas explicações para os fenômenos observados e também foi um escritor e professor de muito sucesso. Em 1745, Nollet publicou suas explicações para os fenômenos elétricos, que foram bastante aceitas não só na França, mas também nos outros países da Europa. Nollet explicou os fenômenos elétricos pelo movimento, em direções opostas, de duas correntes de fluido elétrico, que estaria presente em todos os corpos, em todas as circunstâncias (HEILBRON, 1981, p. 145-148). Segundo Nollet, quando um corpo elétrico é excitado por fricção, parte deste fluido escapa através de seus poros, causando uma corrente efluente, sendo que essa perda é compensada por uma corrente afluente do mesmo fluido vindo de fora, como ilustrado na figura 1. As correntes efluente e afluente diferiam não apenas em direção, mas também em velocidade e distribuição espacial. Ele explicou a atração e repulsão dos corpos leves nas vizinhanças do corpo eletrizado supondo que eles eram capturados por uma das duas correntes opostas de fluido elétrico (NOLLET, 1753, p. 65-79). Suas ideias sobre eletricidade, quando apresentadas à Academie Royale des Sciences pela primeira vez em 1745 no texto Conjectures sur les causes de l électricité des corps, foram imediatamente aceitas e reconhecidas; seus escritos posteriores foram tratados como contribuições importantes para o estudo da eletricidade. Apesar de sua grande importância para o desenvolvimento dos estudos sobre eletricidade, atualmente Nollet é lembrado quando é lembrado simplesmente como um importante divulgador da ciência (HOME, 1979, p. 171).

O sistema de Nollet predominou durante alguns anos. Em 1752, no entanto, Benjamin Franklin (1706-1790) publicou um livro propondo uma explicação completamente diferente.

III. Benjamin Franklin e suas contribuições para a eletrostática

Franklin interessou-se pela eletricidade por volta de 1743, após assistir a apresentações e a demonstrações públicas executadas pelo divulgador Adam Spencer, em Boston, que mostravam fenômenos curiosos e divertidos envolvendo eletricidade. Franklin iniciou seus estudos sobre eletricidade somente após receber de seu amigo e comerciante inglês Peter Collinson (1694-1768), em 1745, uma tradução de trabalhos alemães relatando experimentos elétricos publicada na revista Gentleman s Magazine, uma revista voltada à divulgação das novidades européias. Além da revista, Collinson enviou um tubo de vidro que era utilizado para produzir faíscas e instruções de como usá-lo (HEILBRON, 1999, p 324). Esse conjunto de traduções resume os trabalhos sobre eletricidade de Georg Matthias Bose (1710-1761), Christian August Hausen (1693-1743) e Johann Heinrich Winckler (1703-1770) reunidos por Albrecht von Haller (1708-1777), em 1745. As descrições de Haller são bastante detalhadas e fáceis de serem repetidas. Dessa forma, influenciaram fortemente as montagens experimentais usadas inicialmente por Franklin, que seguiu à risca as sugestões de Haller. Do ponto de vista teórico, Haller supunha que os efeitos elétricos eram causados pelo movimento e deslocamento da matéria elétrica, que ele imaginou ser na forma de um fluido e estender em torno dos corpos eletrizados, formando o que ele chamou de atmosferas (HEILBRON, 1999, p. 325-26). Franklin desenvolveu esse conceito de um único fluido elétrico, baseando- se na ideia de que os corpos seriam formados pela matéria comum e também por um único tipo de matéria elétrica o fogo elétrico que teria o poder de atrair a matéria ordinária e repelir suas próprias partículas. Franklin explicou que a eletrização de um corpo se daria pelo acúmulo de uma quantidade deste fluido elétrico no corpo às custas da perda da mesma quantidade de fluido elétrico por um outro corpo (WHITTAKER, 1973, p. 46). Sendo assim, um corpo ficaria eletrizado quando perdia ou ganhava alguma quantidade desta matéria elétrica. O corpo que perdia matéria elétrica foi chamado de negativo e o corpo que recebia o excesso era chamado de positivo. Franklin utilizou o conceito de um fluido elétrico e uma analogia com uma esponja encharcada para explicar a interação entre a matéria comum e a matéria elétrica. Assim como uma esponja é capaz de reter uma determinada quantidade de água, a matéria elétrica seria capaz de reter certa quantidade de matéria elétrica. Geralmente, a matéria comum conteria tanto fluido elétrico quanto ela seria capaz de comportar. Assim, quando a quantidade de fluido elétrico no corpo aumentasse além de uma quantidade natural, este fluido acumularia ao redor da superfície do corpo, formando uma atmosfera elétrica (HOME, 1972). Vemos que os conceitos de fluido elétrico e atmosfera elétrica desenvolvidos por Franklin são bem semelhantes aos introduzidos anteriormente por Haller. Franklin tentou explicar a atração e repulsão entre dois corpos carregados utilizando o conceito de atmosferas elétricas. Segundo Franklin, dois corpos eletrizados se repelem porque ambos teriam atmosferas elétricas formadas por partículas que se repelem mutuamente. Dessa forma, a teoria de Franklin utilizou os conceitos de atmosfera elétrica e a abundância ou deficiência de fluido elétrico para explicar os fenômenos eletrostáticos de uma maneira qualitativa. Apesar de parecer uma boa explicação, este era um dos problemas da teoria de Franklin. Esta hipótese explicaria apenas porque dois corpos positivamente carregados (com excesso de fluido elétrico, na teoria franklinista) repelem-se mutuamente, como ilustrado na figura 2. Ela não poderia explicar porque dois corpos negativamente carregados (com falta de fluido elétrico) também se repelem.

O que são raios?

A descarga atmosférica, popularmente conhecida como raio, faísca ou corisco, é um fenômeno natural que ocorre em todas as regiões da terra. Na região tropical do planeta, onde está localizado o Brasil, os raios ocorrem geralmente junto com as chuvas.

O raio é um tipo de eletricidade natural e quando ocorre uma descarga atmosférica temos um fenômeno de rara beleza, apesar dos perigos e acidentes que o mesmo pode provocar.

O raio é identificado por duas características principais:

Os raios ocorrem porque as nuvens se carregam eletricamente. É como se tivéssemos uma grande bateria com um pólo ligado na nuvem e outro polo ligado na terra.

A “voltagem” desta bateria fica aplicada entre a nuvem e a terra. Se ligarmos um fio entre a nuvem e a terra daremos um curto-circuito na bateria e passará uma grande corrente elétrica pelo fio. O raio é este fio que liga a nuvem à terra. Em condições normais, o ar é um bom isolante de eletricidade. Quando temos uma nuvem carregada, o ar entre a nuvem e a terra começa a conduzir eletricidade porque a “voltagem” existente entre a nuvem e a terra é muito alta: vários milhões de volts (a “voltagem” das tomadas é de 110 ou 220 volts).

O raio provoca o curto-circuito da nuvem para a terra e pelo caminho formado pelo raio passa uma corrente elétrica de milhares de ampères. Um raio fraco tem corrente de cerca de 2.000 A, um raio médio de 30.000 A e os raios mais fortes tem correntes de mais de 100.000 A (um chuveiro tem corrente de 30 A).

Apesar das correntes dos raios serem muito elevadas, elas circulam durante um tempo muito curto (geralmente o raio dura menos de um segundo).

Os raios podem sair da nuvem para a terra, da terra para a nuvem ou então sair da nuvem e da terra e se encontrar no meio do caminho.

No mundo todo ocorrem cerca de 360.000 raios por hora (100 raios por segundo). O Brasil é um dos países do mundo onde caem mais raios. No estado de Minas Gerais, onde foram feitas medições precisas do número de raios que caem na terra, temos perto de 8 raios por quilômetro quadrado por ano.
Muitos raios ocorrem dentro das nuvens. Geralmente este tipo de raio não oferece perigo para quem está na terra, no entanto ele cria perigo para os aviões.

Os raios caem nos pontos mais altos porque eles sempre procuram achar o menos caminho entre a nuvem e a terra. Árvores altas, torres, antenas de televisão, torres de igreja e edifícios são pontos preferidos pelas descargas atmosféricas.

Os raios são perigosos?

Sim. Os raios trazem uma série de riscos para as pessoas, animais, equipamentos e instalações.

Mesmo antes de um raio cair já existe perigo. Antes de cair um raio, as nuvens estão “carregadas de eletricidade” e, se por baixo da nuvem tivermos, por exemplo, uma cerca muito comprida, os fios da cerca também ficarão “carregados com eletricidade”. Se uma pessoa ou animal tocar na cerca irá tomar um choque elétrico, que em alguns casos poderá ser fatal.

O choque elétrico ocorre quando uma corrente elétrica circula pelo corpo de uma pessoa ou animal. Dependendo da intensidade da corrente e do tempo em que a mesma circula pelo corpo, poderão ocorrer consequências diversas: formigamento, dor, contrações violentas, queimaduras e morte. Se um raio cair diretamente sobre uma pessoa ou animal, dificilmente haverá salvação.

Na maioria dos casos as pessoas não são atingidas diretamente. Quando um raio atinge uma cerca ou uma edificação provoca uma circulação de corrente pelas partes metálicas da instalação atingida.

No caso da cerca, os arames conduzirão parte da corrente do raio e ficarão eletrificados. No caso de uma casa, os canos metálicos de água, os fios da instalação elétrica e as ferragens das lajes e colunas irão conduzir parte da corrente do raio e ficarão também “carregados de eletricidade”. Uma pessoa ou animal que esteja em contato ou até mesmo perto destas partes metálicas poderá tomar um choque violento.

Mesmo no caso de um raio cair sobre uma estrutura que não tenha matais, como por exemplo uma árvore, uma pessoa perto desta árvore poderá tomar um choque. Os valores das voltagens e correntes envolvidas no raio são tão grandes que ele faz a árvore se comportar como um condutor de eletricidade.

Os equipamentos elétricos e telefônicos sofrem muito com os raios. Estes equipamentos são projetados para trabalhar com uma “voltagem” especificada. Quando um raio cai perto ou sobre as redes telefônicas, redes elétricas e antenas, ele provoca o aparecimento de “voltagens” elevadas nos equipamentos, muito acima do valor para o qual eles foram projetados e geralmente ocorre sua queima.

Os raios podem provocar danos mecânicos, como por exemplo derrubar árvores ou até mesmo arrancar tijolos e telhas de uma casa.

Um dos grandes perigos que os raios criam são os incêndios. Muitos incêndios em florestas são provocados por raios. No caso de silos e depósitos de material inflamável, a queda de uma raio pode provocar consequências catastróficas.

Muitas superstições e lendas existem sobre raios. Algumas tem fundamento e outras não. Tentaremos analisar as principais superstições.

Um raio nunca cai duas vezes no mesmo lugar.

Isto não é verdade. As estruturas elevadas, por exemplo, são atingidas várias vezes por raios.

É perigoso segurar objetos metálicos durante as tempestades.

Sim e não. Segurar objetos pequenos, como uma tesoura ou alicate, não provoca risco. Entretanto, carregar um objeto metálico, ou até mesmo um ancinho ou outra ferramenta metálica em um local descampado pode oferecer riscos.

Devemos cobrir os espelhos durante as tempestades, pois eles atraem os raios.

Não, isto não é verdade. Até hoje não foi demonstrada nenhuma relação entre os espelhos e os raios.
Andar com uma “pedra do raio” no bolso evita raios.

Quando um raio atinge o solo, sua corrente aquece o solo e se for muito intensa poderá ocorrer a fusão de pequenas pedras, formando um pedregulho de aspecto estranho. Dizem que carregar uma destas pedras dá sorte e evita os raios. Evitar raios a pedra não evita, mas dar sorte, talvez sim!

Perguntas e respostas sobre os raios

É perigoso tomar banho em chuveiros elétricos durante as tempestades?

Sim. O chuveiro elétrico está ligado à rede elétrica que alimenta a residência e se um raio cair próximo ou sobre a mesma poderemos ter o aparecimento de “voltagens” perigosas na fiação e a pessoa que está tomando banho pode tomar um choque elétrico.

Não devemos operar aparelhos elétricos e telefônicos durante as tempestades?

Não, pelo mesmo motivo apresentado no caso de tomar banho. Os aparelhos elétricos e telefônicos estão ligados a fios, que podem ter suas “voltagens” elevadas quando há queda de um raio sobre ou perto das redes telefônicas e elétricas, ou mesmo no caso de um raio que caia sobre a casa.

É possível se proteger contra os raios?

Sim. A adoção de medidas de segurança pessoal minimiza bastante os perigos provocados pelos raios. A maior parte dos acidentes ocorre com pessoas que estão em locais descampados. Raramente temos acidentes com pessoas dentro de edificações.

Durante as tempestades com raios:

Evite ficar em locais descampados e descobertos;

As casas, edifícios, galpões, carros, ônibus e trens são locais seguros;

Dentro de uma edificação, procure ficar afastado (no mínimo um metro) de paredes, janelas, aparelhos elétricos e telefônicos;

Evite tomar banho em chuveiro elétrico e operar aparelhos elétricos e telefônicos;

Ficar em baixo de uma árvore alta e isolada é muito perigoso, no entanto procura abrigo dentro de uma mata fechada é seguro;

Se estiver em local descampado, não carregue objetos longos, tais como guarda-chuva, vara de pescar, enxada, ancinho, etc.;

Não entre dentro de rios, lagoas e mar;

Não opere trator ou qualquer máquina agrícola que não tenha cabine metálica fechada;

Evite ficar perto de cercas e estruturas elevadas (torre, caixa d’água suspensa, árvore alta, etc.);

É possível proteger equipamentos elétricos e telefônicos contra raios?

Sim. Existem protetores especiais que devem ser instalados nas tomadas e nos telefones. Em dias de tempestade é aconselhável desligar os equipamentos das tomadas.

É possível proteger casas e edificações contra raios?

Sim. A norma brasileira NBR 5419 – Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas – Jun./93, estabelece os critérios e procedimentos para a instalação de para-raios em casas e edificações.

Existem os raio e o corisco?

Raio e corisco são nomes popularmente utilizados para designar as descargas atmosféricas.

O que é “raio-bola”?

É um tipo de raio muito raro. Ele tem o formato de uma bola de fogo, que fica flutuando no ar e algumas vezes ele explode, podendo provocar queimaduras em animais e pessoas próximas.

Caem mais raios em locais rochosos?

Não existe evidência científica de que o tipo de terreno influencie no número de raios que caem. O que sabemos é que em locais elevados caem mais raios de que em locais mais baixos.

Redes elétricas que cortam fazendas aumentam os riscos com raios?

Um raio que cai sobre uma rede elétrica, provavelmente cairia no mesmo local do terreno, mesmo se não existisse a rede elétrica. Como a rede elétrica se destaca, ou seja, ela acostuma ser um ponto elevado sobre o terreno, raios que iriam cair no solo ou sobre árvores acabam caindo sobre a rede.

O perigo que a rede elétrica traz é devido ao fato dela estar ligada à instalação elétrica de casas e edificações. Um raio que cai na rede elétrica ou nas suas proximidades acaba provocando o aparecimento de “voltagens” perigosas na fiação das edificações.

Quando um rebanho inteiro morre devido a um raio próximo a uma cerca, é devido ao próprio agrupamento dos animais ou à proximidade do rebanho da cerca? O que atrai mais, o agrupamento de animais ou a cerca?

O que atrai o raio é a altura relativa do objeto ou animal em relação ao solo.

O raio sempre cai na estrutura mais alta. Em muitos casos os animais são mais altos que a cerca e neste caso eles são pontos preferenciais para a queda de raios. Como a altura dos animais e da própria cerca não é grande, eles não atraem muitos raios. As árvores isoladas, em geral, atraem mais raios que cercas e animais.

Mesmo no caso de uma cerca devidamente protegida (aterrada e seccionada), se um raio cair sobre ela e se junto dela estiver um rebanho, provavelmente o resultado será catastrófico. O raio que cai diretamente na cerca energiza apenas um trecho dela, ou seja, o seccionamento e aterramento evitam a energização de toda a cerca. Apenas os animais junto ao trecho de cerca energizado correm grandes riscos.

Atividades

   1)   Oque aprendi sobre:

           História da Eletricidade.

           Raios.

    2)    Represente com imagens:  pode ser desenhos ou imagens recortadas de jornais, revistas ou imagens imprimidas.

Eletricidade Exemplo: (Tipos de usinas)

Raios. Exemplo: (para raios)