Autores

Alvaro, B. (COLÉGIO CRUZEIRO)

Resumo

Experimentação é algo fundamental no ensino de química. Diante do volume de informação e do pouco tempo destinado ao desenvolvimento dos conteúdos, a parte prática fica muitas vezes relegada a segundo plano. O presente artigo pretende demonstrar que é possível associar a teoria à prática através de um experimento que irá possibilitar desenvolver uma série de conteúdos que poderão ser trabalhados desde o início do ensino da química no 9º ano do Ensino Fundamental. O trabalho realizado com cinco turmas de nono ano consistiu na construção de placas fotovoltaicas de leds de diferentes cores e com diferentes arranjos. Após a construção das placas estas foram expostas à luz solar. Os valores registrados com auxílio de um multímetro foram tabelados e discutidos.

Palavras chaves

ensino; experimentação; leds

Introdução

Tradicionalmente o ensino de química começa com o tema energia. Dentre as diversas fontes disponíveis uma que vem ganhando espaço é a energia solar tanto que a sua utilização em residências já é uma realidade. A escolha por esse tema, além de atual, se deve ao fato de envolver uma gama de temas que são trabalhados ao longo do primeiro ano de contato com a química. Tipos de energia, propriedades da matéria (semicondutores), efeito fotoelétrico, modelos atômicos, luz e ondas eletromagnéticas são temas que podem ser perfeitamente explorados ao longo do desenvolvimento do trabalho. Um aparato simples capaz de converter energia solar em elétrica é a placa fotovoltaica. Com alguns poucos leds e um pedaço de papelão é possível construir este dispositivo que tanto capta energia solar transformando-a em elétrica quanto se utiliza desta para converter em elétrica. Aplicando-se uma diferença de potencial é possível gerar energia luminosa cuja cor varia de acordo com a composição química de que é feito o material emissor semicondutor (figura 1 nº 3). A representação da figura número 1 mostra que um led é constituído de dois terminais (5 e 6) envoltos por uma cápsula (1) que envolve um fio(2) o qual se conecta os dois terminais, um chip de material emissor semicondutor(3) e um espelho refletor(4). Ao receber os raios solares o material semicondutor é excitado e o efeito fotoelétrico acontece. Os terminais nada mais são do que uma junção pn. Num terminal encontra-se o semicondutor do tipo p que consiste na introdução de um átomo de um elemento da família 3A (gálio, índio ou alumínio) na rede cristalina do silício. Uma vez que estes elementos tem um elétron a menos do que o silício isto gera buracos na rede funcionando como cargas positivas. No outro terminal tem-se um semicondutor n que funciona exatamente ao contrário, ou seja, um elemento com um elétron a mais, nitrogênio ou fósforo, é inserido na rede cristalina gerando cargas negativas. Este mecanismo de inserção de átomos estranhos na rede cristalina de um semicondutor se chama dopagem e como consequência ocorre a alteração das propriedades elétricas do semicondutor( ALVES; SILVA, 2008,p.1).Quando este material é exposto à luz fótons incidem sobre a junção pn promovendo elétrons da banda de valência para a banda de condução. Para que isto ocorra basta que a energia destes fótons seja da mesma ordem de grandeza da diferença energética entre as duas bandas. Este movimento gera buracos na banda de valência. Os elétrons promovidos para a banda de condução passarão a ocupar a região n enquanto que os buracos da banda de condução serão ocupados por elétrons da região p. Conectando um fio condutor aos dois lados teremos uma corrente eletrônica no sentido de maior concentração de elétrons para o de menor como numa pilha. O valor da diferença de energia entre abanda de condução e a de valência corresponde a diferentes cores da luz emitida por um led e isto pode ser obtido utilizando diferentes elementos químicos como dopante da rede cristalina do silício.( ALVES; SILVA, 2008,p.2). Em razão disto nitretos de gálio e nitretos de gálio e índio são utilizados na construção de leds azuis e verdes enquanto que nos amarelos e vermelhos há a predominância de fosfetos de índio, gálio e alumínio. A coloração branca pode se dar de diferentes modos: pelo sistema RGB (red- green-blue) que é utilizado nas lâmpadas fluorescentes compactas, utilizando UV para excitar combinação de fósforos vermelhos, azuis e verdes ou ainda usando um led azul para excitar um ou mais fósforos de luz visível caso da combinação do chip de led azul contendo InGaN com o fósforo amarelo de /YAG(Y3Al5O12). Este último é o mais utilizando nas lâmpadas de led típicas.

Material e métodos

A construção das placas fotovoltaicas obedeceu a dois importantes critérios: cor e arranjo. Cada turma ficou responsável por uma cor dentre as existentes no mercado (branco frio, branco quente, ultravioleta, roxo, laranja, amarela, vermelha , verde e azul). No primeiro ano (2016) trabalhou-se com as cores verde, amarela, azul, vermelho e branco frio enquanto que no ano seguinte (2017) foram introduzidas as cores branco quente, ultravioleta, roxo e laranja, sendo mantida cor branco frio afim de compara-la com o branco quente. Em cada turma foram feitos 6 grupos de alunos para construir cada uma das configurações propostas de acordo com a tabela 1. Nas linhas o terminal positivo de um led é soldado no negativo de outro enquanto que nas extremidades das colunas o terminal positivo do primeiro leds é soldado no positivo do led inferior e assim sucessivamente até que todos os terminais da mesma coluna estejam ligados. O mesmo é utilizado para os terminais negativos (figura 2). O objetivo do trabalho foi verificar de que maneira os parâmetros de cor e arranjo influenciavam nos valores das diferenças de potencial nas placas. Para isto as placas foram levadas para o laboratório e submetidas a diversas diferenças de potencial obtidas com arranjos de pilhas e baterias. O objetivo era determinar qual a ddp mínima necessária para acendimento da respectiva placa fotovoltaica. Num segundo momento as placas ficaram expostas tempo suficiente para fazer a leitura da máxima diferença de potencial obtida. Os valores obtidos foram organizados de acordo com a cor e o arranjo das placas( tabelas 2 e 3). De posse desses resultados gráficos foram construídos para verificar a ocorrência de alguma semelhança de comportamento entres diversas cores e/ ou configurações ( gráficos 2 e 3).

Resultado e discussão

Os gráficos obtidos pelas medidas das diferenças de potencial mínimas necessárias para acendimento da respectiva placa fotovoltaica demonstram um padrão de comportamento que se repete em todas as cores de leds. Quanto se aumenta a quantidade de leds em série, ou seja, ligando-os a partir da extremidade positiva de um na negativa de outro, a ddp necessária para acendimento aumenta. Já quando a ligação é feita em paralelo a diferença de potencial sofre pequenas variações. Na configuração que se utiliza o maior número de leds (3x3) a ddp é maior do que nas associações em paralelo , porém menor do que nas ligações em série. Estes dados confirmam o que os conceitos físicos de resistência, potência, intensidade luminosa e corrente elétrica. Da análise das informações anteriores é possível perceber três importantes aspectos. Primeiramente o baixo consumo de energia dos leds vermelho, amarelo e laranja. Em segundo lugar, o alto consumo dos leds ultravioleta, roxo, branco quente e branco frio: Por fim o desempenho dos leds azul e verde que ficam numa posição intermediária. Por fim, em todas as cores percebe-se que a configuração mais econômica, em termos de quantidade e consumo, é a 4 x 2 , ao passo que a configuração 2 x 4 é a que mais consome energia. Com relação aos gráficos de exposição ao sol padrões de semelhança não são facilmente detectados. A linearidade dos valores obtidos para os leds branco frio chama atenção pois independentemente das configurações os valores não fugiram da média de 0,50V, o que não se repetiu com os brancos quentes que tiveram valores inferiores em 4 configurações e superiores em duas. Os baixos valores obtidos para os leds ultravioleta e violeta também são perceptíveis mas , no entanto, o valor destoante das configurações 4x2 parecem sugerir que esta é a configuração capaz de gerar mudanças significativas, pelo menos , nestas cores de led. Se por um lado, os leds verdes parecem ser mais sensíveis à variações no binômio configuração x ddp, de outro os leds azuis demonstram pouca variação neste aspecto. Os leds vermelho e amarelo parecem convergir em algumas configurações, ao passo que o laranja, do qual se esperaria comportamento semelhante, não correspondeu à esta previsão.

voltagem mínima para acendimento


voltagem máxima exposição ao sol

Conclusões

De posse de tamanha gama de informações pensou-se na possibilidade de produzir um aparato capaz de gerar luz à baixo custo, algo como uma lanterna caseira com objetivo de oferecer a comunidade atendida pelo projeto de Ação Social do Colégio Cruzeiro Centro . A primeira questão era determinar a quantidade de pilhas e o arranjo de leds de modo a combinar a máxima luminosidade com menor utilização de material. Após várias tentativas, chegou-se à conclusão de que uma associação de 4 leds em paralelo produz uma luminosidade satisfatória com a utilização de 4 pilhas pequenas (AA). A descoberta surpreendente foi que estas pilhas não precisavam estar completamente carregadas. Além disso pode-se perceber que qualquer ddp entre 4,5 e 5,5V já forneceria alimentação suficiente para fazer o aparato funcionar. Melhor ainda foi descobrir que podem ser usadas pilhas de reciclagem. Estas, na grande maioria das vezes, são descartadas com quantidade de carga razoável visto que muitos equipamentos usam mais de uma pilha e quando param de funcionar poucas pessoas se utilizam de um multímetro para saber qual delas realmente descarregou e acabam por desprezar todas. Vencida esta etapa passou-se a construção dos dispositivos ( figura 4): uma lanterna e uma caixa de pauzinhos de picolé contendo uma placa fotovoltaica na parte da frente que funciona com luz de emergência. Neste momento surgiu um problema. Após ter-se construído a luz de emergência começou a apresentar problema de efeito joule. As ligações entre o botão liga/desliga, o suporte de pilha e a placa fotovoltaica propriamente dita tiveram de ser refeitas. Resolvido o problema anterior começou-se a aperfeiçoar o designer da lanterna e da luz de emergência. Diversas modificações foram feitas até que se chegasse aos produtos finais ( figuras 5 e 6).

Agradecimentos

Ao Colégio Cruzeiro pelo apoio em acreditar na ideia e fornecer todo o suporte necessário a tornar realidade o projeto.

Referências

ALVES, E.G. e SILVA, A.F. Usando led como fonte de energia. Revista Física na Escola, volume 9, número 1,2008.Disponível em < www.sbfisica.org.br/fne/Vol9/Num1/led.pdf>. Acesso em 15 de maio de 2015.