Universidade Federal de Santa Catarina

Centro de Ciências Físicas e Matemáticas

Departamento de Física
Disciplina: Instrumentação para o Ensino de Física C
Professor: José Francisco Custódio Filho

Radiação Solar e a Produção de

Energia Fotovoltaica

Marília Nascimento
Beatriz S. Gietner
Danaíse V. Soares
Florianópolis
2013
 Sumário

1. Introdução ______________________________________________________ 3
2. Objetivo Geral __________________________________________________ 4
3. Público Alvo____________________________________________________ 4
4. Conteúdo Físico_________________________________________________ 4
5. Temática de Interesse____________________________________________ 5
6. Quadro Sintético_________________________________________________ 5
7. Descrição de cada aula____________________________________________ 6
7.1. Primeira Aula_______________________________________________ 6
7.1.1. Vídeo 01 _____________________________________________ 7
7.1.2. Texto Professor 01_______________________________________ 7
7.2. Segunda Aula_______________________________________________ 8
7.2.1. Simulação 01__________________________________________8
7.3. Terceira Aula_______________________________________________9
7.3.1. Vídeo 02_____________________________________________10
7.3.2. Texto Professor 02 ____________________________________10
7.4. Quarta Aula_______________________________________________12
7.5. Quinta Aula_______________________________________________12
7.5.1. Aplicativo 01_________________________________________13
7.5.2. Texto Professor 03 ____________________________________13
7.5.3. Texto Professor 04 ____________________________________15
7.6. Sexta Aula________________________________________________16
7.6.1. Vídeo 03 ____________________________________________16
7.6.2. Texto Professor 05 _____________________________________16
7.6.3. Texto Professor 06 _____________________________________17
7.6.4. Texto Professor 07 ____________________________________18
7.7. Sétima Aula _______________________________________________19
7.7.1. Texto Professor 08 ____________________________________20
7.7.2. Texto Professor 09 ____________________________________24
7.7.3. Texto Professor 10 ____________________________________25
7.8. Oitava Aula_______________________________________________27
7.8.1. Experimento 01_______________________________________28
7.8.2. Roteiro Experimento ___________________________________28
7.8.3. Texto Professor 11 ____________________________________29
8. Bibliografia___________________________________________________31

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 1. Introdução

Podemos notar que atualmente na literatura vem crescendo o número de

pesquisas contemplando o ensino da Física Moderna e Contemporânea (FMC)
(Ostermanne Moreira, 2000; Greca e Moreira, 2001).
Várias justificativas são apresentadas em defesa da introdução da FMC na
educação básica. Dentre elas, que facilita a aprendizagem subseqüente da FMC;
estimula a curiosidade dos estudantes; possibilita aos alunos desenvolverem um
entusiasmo mais duradouro pela Ciência e a necessidade de que a FMC seja tratada
como um elemento cultural (Shabajee e Postlethwaite, 2000).
O ensino de Física articulado com várias áreas do conhecimento favorece uma
educação “problematizadora” e em sintonia com questões sociais mais amplas (Zanetic,
2005). No entanto, diante da frequente diminuição das horas-aulas de Física, Zanetic
(2006) defende uma postura bem mais urgente em relação ao ensino de Física. O autor
assinala: “[...] eu diria que precisamos colocar a física de qualquer século na sala de aula
antes que ela (a física na escola) acabe!” (p.41).
A introdução da Física Moderna na educação básica poderia ajudar os alunos a
adquirirem uma visão da Física sob uma perspectiva mais articulada e coerente acerca
da natureza do trabalho científico, principalmente superando a visão linear e cumulativa
incorporada a ele. Valadares e Moreira (1998) mencionam que, quando se trabalha com
estudantes do Ensino Médio devemos despertar o interesse para aspectos do cotidiano, a
ausência de fundamentos acerca da FMC mostra-se como um grande obstáculo.
Apesar das várias sugestões para se introduzir o ensino de tópicos da FMC na
educação básica, é bastante claro que ainda se necessitamos de muitas pesquisas em
relação às abordagens e enfoques a serem desenvolvidos, principalmente perante as
dificuldades apresentadas pelos professores, conforme comentam Solbes et al. (2001).
Elaboramos um projeto para os professores de Ensino Médio que trata de um
assunto considerado delicado: Física Moderna. Nossa escolha de apresentar “A
Radiação Solar e a Produção de Energia Fotovoltaica”, tem como razão principal o fato
de que fenômenos como esse são encontrados no dia-a-dia de todos, mesmo que não
saibamos.

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 2. Objetivo Geral

A melhoria da qualidade de vida do ser humano está diretamente ligada à

utilização de energia. Além disso, com a crescente demanda global por energia,
associada à importância do impacto das políticas energéticas sobre a sociedade e o meio
ambiente, reforça a necessidade cada vez maior de utilizarmos fontes de energia, que
possam abastecer a humanidade de forma inesgotável, servindo de base para um
desenvolvimento sustentável.
Precisamos compreender que as fontes de energia interferem no meio ambiente e
que, portanto, há necessidade de escolher uma fonte de energia renovável e não
poluente. Com base nisso, temos que buscar um aprendizado sobre sustentabilidade e
eficiência energética gerada pela energia solar, já que é uma fonte mais limpa e
sustentável, que oferece proteção ao clima global e possui um importante papel na
melhoria da qualidade de vida.
A produção de energia solar fotovoltaica é hoje, sem sombra de dúvidas, uma
das alternativas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milênio, já que
se trata de uma fonte não poluente, renovável e com menos impacto ambiental.

3. Público Alvo
O curso foi desenvolvido para alunos do Ensino Médio.

4. Conteúdo Físico
 Energia: sustentável, renovável e limpa;
 Energia em suas diferentes formas: vantagens e desvantagens;
 Energia Solar: história, utilidades e usinas fotovoltaicas;
 O caminho da radiação, a sua interação com a Terra, e instrumentos de
medição;
 Modelos Atômicos;
 Luz;
 Materiais condutores, isolantes e semicondutores;
 Dopagem;
 Efeito fotovoltaico;
 Módulos Fotovoltaicos.

5. Temática de Interesse
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 O curso está relacionado com a vida dos alunos a que se destina, pois à medida
que os avanços tecnológicos, o crescimento da economia e a constante preocupação
com o meio ambiente aumentam; uma atenção maior é dada para a disponibilidade de
energia, e os impactos ambientais que as fontes tradicionais causarão tentando suprir a
necessidade crescente. É importante saber como adequar a necessidade com a oferta de
energia, o uso de fontes alternativas como energia a solar pode suprir esta necessidade.
Devemos tentar melhorar a qualidade ambiental e buscar o desenvolvimento
sustentável das cidades, a partir da promoção da economia de energia, eficiência
energética, uso e conhecimento das energias renováveis e a otimização da qualidade dos
serviços relacionados a este setor. Além de tudo o que foi citado, obviamente
estimular a curiosidade nas aulas de Física.

6. Quadro Sintético

Slide Simulação Aplicativ Experimento Vídeo Texto Professor

o

Aula 01 Slide 01 Vídeo 01 Texto Professor 01

Aula 02 Slide 02 Simulação 01

Aula 03 Slide 03 Vídeo 02 Texto Professor 02

Aula 04 Slide 04

Aula 05 Slide 05 Aplicativo Texto Professor 03

01 Texto Professor 04

Texto Professor 05
Aula 06 Slide 06 Vídeo 03 Texto Professor 06
Texto Professor 07

Aula 07 Slide 07 Texto Professor 08

Texto Professor 09
Texto Professor 10

Aula 08 Slide 08 Experimento 01 Texto Professor 11

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 7. Descrição de cada aula

7.1. Primeira Aula

Tema da aula: Energia: sustentável, renovável e limpa.
Objetivos: Distinguir quais tipos de energia são sustentáveis, renováveis e
limpas; transformar reflexões, discussões e análises em mudanças de atitudes e ações
em busca de pensamentos e posicionamentos “sustentáveis”.
Motivação: Despertar curiosidade sobre as diferenças entre a energia
sustentável, renovável e limpa.
Conteúdo Físico: Energia sustentável, renovável, limpa e tipos de produção de
energia.
Recursos Instrucionais: Projetor Multimídia, computador, caixa de com, Vídeo
01, Slide 01.
Momentos da aula:
1º Momento: (10 minutos) Apresentação do tema a ser trabalhado no minicurso
e especificamente na primeira aula. Para iniciar a problematização utilizar a
apresentação de Slide 01 e falar que 2012 foi o “Ano Internacional da Energia
Sustentável para Todos”, o professor pode apresentar mais alguns dos dados contidos no
Texto Professor 01.
2º Momento: (10 minutos) Mostrar o Vídeo 01 e fazer uma discussão pedindo a
opinião dos alunos sobre o mesmo.
3º Momento: (15 minutos) Continuar com a apresentação de slide. Trabalhar o
conteúdo sobre energia sustentável, renovável, limpa e formas de produzir energia de
forma dialogada e dinâmica.
4º Momento: (05 minutos) Fazer uma discussão com os alunos perguntando a
opinião deles sobre o que foi visto e levantando a questão “Que tipo de energia seria
renovável, limpa e sustentável ao mesmo tempo?”. Analisar uma por uma ajudando-os a
concluir que a resposta é hidroelétrica, eólica e solar.
5º Momento: (10 minutos) Fazer uma breve retomada de todo o conteúdo visto,
questionar se os alunos têm alguma dúvida e lançar a questão que será discutida e
respondida na próxima aula “Será que existe algum meio de produção de energia que
não tenha nenhuma desvantagem?”.
Comentários Finais: Conforme a disponibilidade de cada escola, quando
estiver falando dos tipos de produção de energia mostrar equipamentos que simulem os
mesmos como: gerador manual, mini hidroelétrica, etc..

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 7.1.1 Vídeo 01
Título: O potencial brasileiro para geração de energia sustentável.
Conteúdo Físico: Especialistas detalham como é formada a matriz energética
brasileira e o potencial das fontes de energia limpa, sustentáveis para ajudarem no
desenvolvimento do país.
Tempo: 4 minutos e 51 segundos.
Referência: http://www.youtube.com/watch?v=8ZYJ7ZYuVTo

7.1.2 Texto Professor 01

2012: Ano Internacional da Energia Sustentável para Todos

O Ano Internacional da Energia Sustentável para Todos – 2012 visa incentivar e

impulsionar a conscientização para as questões energéticas, incluindo os serviços
modernos de energia para todos, o acesso à disponibilidade e eficiência energética, a
sustentabilidade e o uso das fontes de energia para a realização das metas do
Desenvolvimento do Milênio, do Desenvolvimento Sustentável e a promoção de todas
estas ações a nível local, nacional, regional e internacional.
Serviços de energia limpa, eficiente, confiável e acessível são indispensáveis
para a prosperidade global. Os sistemas de energia atuais são inadequados para atender
às necessidades da população carente e comprometem a realização dos Objetivos de
Desenvolvimento do Milénio (ODM). Por exemplo, com a ausência de serviços de
energia confiáveis, clínicas de saúde e escolas não podem funcionar corretamente.
Um sistema de energia com bom desempenho que melhore e o acesso eficiente a
formas modernas de Energia iria fortalecer as oportunidades para bilhões de pessoas no
planeta fugirem dos impactos da pobreza. O crescimento econômico vai de mãos dadas
com maior acesso a serviços modernos de energia, especialmente em países de baixa e
média rendas, considerando a fase acelerada do desenvolvimento industrial.
O sistema de energia é o maior responsável pelas mudanças climáticas, o que
representa cerca de 60 por cento dos gases do efeito estufa (GEE). Padrões atuais de
produção de energia e consumo são insustentáveis e ameaçam o meio ambiente em
ambas as escalas: local e global. As emissões provenientes da combustão de
combustíveis fósseis são os principais contribuintes para os efeitos imprevisíveis das
mudanças climáticas, poluição do ar e acidificação do solo e da água.
Texto adaptado de http://www.sustainableenergyforall.org/

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 7.2. Segunda Aula
Tema da aula: Energia em suas diferentes formas: vantagens e desvantagens.
Objetivos: Compreender as vantagens e desvantagens de algumas formas de
produção de energia; desenvolver uma atitude de respeito perante a natureza resgatando
atitudes de participação, responsabilidade e comprometimento com a mesma; comparar,
distinguir e analisar as diferentes formas de obtenção de energia.
Motivação: Saber como funcionam principais tipos de produção de energia.
Conteúdo Físico: Vantagens e desvantagens da produção de energia: Eólica,
Nuclear, Maremotriz, Termoelétrica, Hidroelétrica e Solar.
Recursos Instrucionais: Projetor Multimídia, computador, internet, Slide 02
Simulação 01.
Momentos da aula:
1º Momento: (05 minutos) Apresentar o tema a ser trabalhado na aula e voltar a
pergunta lançada no final da primeira aula “Será que existe algum meio de produção de
energia que não tenha nenhuma desvantagem?” discutir qual eles acham que seria e o
porque. Anotar as respostas no quadro para comparação futura.
2º Momento: (25 minutos) Usar Slide 02 para trabalhar as vantagens e
desvantagens da produção de energia Eólica, Nuclear, Maremotriz, Termoelétrica,
Hidroelétrica e Solar.
3º Momento: (10 minutos) Mostrar da Simulação 01, todos os tipos de energia.
4º Momento: (05 minutos) Fazer uma discussão com os alunos analisando as
respostas escritas no quadro no 1º Momento.
5º Momento: (05 minutos) Fazer uma breve retomada de todo o conteúdo visto,
ver se os alunos tem alguma dúvida e lançando a questão que será discutida e
respondida na próxima aula “Será que existem muitas usinas fotovoltaicas no mundo?
Ou será que esse tipo de produção de energia não é muito utilizado?”.
Comentários Finais: Para apresentar a Simulação 01 é necessário conexão de
internet, caso não haja acesso pular o 3º momento da aula.

7.2.1. Simulação 01
Título: Energias Alternativas – Saiba quais são e como funcionam.
Conteúdo Físico: Apresenta o que é, como funciona, capacidade instalada, prós,
contras e ideias futuras sobre as energias: Hidráulica, Eólica, Solar, Nuclear,
Biocombustíveis e Células Combustíveis.
Como utilizar: Escolher um tipo de energia selecionando a mesma e para
começar a simulação clicar no botão vermelho onde diz “descubra como funciona”.
Referência:http://ultimosegundo.ig.com.br/ciencia/as+alternativas+da+energia/
n1237597605585.html

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 7.3. Terceira Aula

Tema da aula: Energia Solar: história, utilidades e usinas fotovoltaicas.

Objetivos: Conhecer a história da energia solar e sua evolução; conhecer alguns
equipamentos alimentados pela energia fotovoltaica; identificar as usinas solares
fotovoltaicas em funcionamento.
Motivação: Saber se existem usinas fotovoltaicas no Brasil.
Conteúdo Físico: História da energia Solar; principais usinas fotovoltaicas do
mundo, do Brasil e de Florianópolis.
Recursos Instrucionais: Projetor Multimídia, computador, caixa de som, Slide
03, Vídeo 02.
Momentos da aula:
1º Momento: (05 minutos) Apresentar do tema a ser trabalhado na aula e
comunicar aos estudantes que no final da aula vamos ser capazes de responder a
pergunta lançada no final da aula passada “Será que existem muitas usinas fotovoltaicas
no mundo? Ou será que esse tipo de produção de energia não é muito utilizado?”.
2º Momento: (20 minutos) Usar Slide 03 para trabalhar a história da Energia
Fotovoltaica, e ver aonde ela vem sendo utilizada recentemente. Continuar com o slide
expondo as principais usinas do mundo, do Brasil, e de Florianópolis. Informações
complementares no Texto Professor 02.
3º Momento: (20 minutos) Mostrar Vídeo 02 e questionar os alunos sobre a
gritante diferença entre a capacidade de produção da usina brasileira e da de outros
países. Conduzir a uma resposta que fale dentre outras coisas, sobre o espaço ocupado
pelas usinas e o fato de que o Brasil não produz a célula, portanto tem que importar
aumentando o custo da mesma.
4º Momento: (05 minutos) Fazer uma breve retomada de todo o conteúdo visto,
ver se os alunos tem alguma dúvida e lançando a questão que será discutida e
respondida na próxima aula “Que benefícios, em sua opinião, o sol nos traz? Como será
que essa energia é produzida no Sol?”.
Comentários Finais: Dependendo do tempo gasto discutindo com os alunos
sobre as questões levantadas no decorrer da aula, pode-se mostrar o Vídeo 02 a partir do
tempo 6 minutos e 10 segundos.
No 2º Momento quando estiver falando sobre utilidades da produção de energia
Fotovoltaica, caso seja possível mostrar alguns objetos alimentados pela radiação solar
como: calculadora solar, carrinho solar e outros.

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 7.3.1. Vídeo 02
Título: Usinas Fotovoltaicas
Conteúdo Físico: Potencialidades e desafios da energia fotovoltaica no Brasil e
apresentação do Projeto Megawatt Solar da sede da Eletrosul em Florianópolis.
Tempo: 17 minutos e 21 segundos.
Referência: http://www.youtube.com/watch?v=nj3WEQRQC9U

7.3.2. Texto Professor 02

Usinas Fotovoltaicas
As primeiras utilizações de energia fotovoltaica resumiam-se a situações em que
não estava disponível energia da rede, nomeadamente em locais remotos e,
especialmente, fora da Terra, quer em satélites quer em sondas espaciais. De fato,
embora inicialmente a NASA não estivesse muito convencida das vantagens da
utilização de painéis solares aceitou, com alguma relutância, dotar o Vanguard I de um
pequeno painel, seis células solares, para alimentar um transmissor back-up de outro
alimentado por uma pilha de mercúrio. O transmissor do satélite, alimentado pelas
células solares lançado em Março de 1958 funcionou durante cerca de oito anos, o
alimentado pela pilha de mercúrio durou somente 20 dias.
Na década de sessenta, a investigação em células solares surge quase como um
efeito colateral da guerra fria entre as duas grandes superpotências da época. Ou seja,
foi a guerra ao espaço que promoveu um grande desenvolvimento das células solares,
desenvolvimento que foi essencialmente dirigido a um aumento de eficiência e tinha
poucas ou nenhumas preocupações econômicas.
Mas além do uso espacial - satélites movidos a energia solar, a produção de
energia solar fotovoltaica pode ser aplicada em outras áreas como:
 Nos Transportes - Inicialmente os painéis de energia solar fotovoltaicos foram
usados para a produção de energia no espaço. Raramente tem sido aplicado a
bens de locomoção, mas esta começando a haver uma maior aposta por parte das
empresas na produção de carros e barcos movidos com energia solar
fotovoltaico.
 Dispositivos Portáteis - Até há coisa de uma década era comum ver-se
calculadoras carregadas à base de energia solar fotovoltaico. Com a melhoria e
desenvolvimento dos circuitos e capacidade dos ecrãs de LCD tem sido possível
inovar nos dispositivos que usam baterias recarregáveis, sendo a energia solar
fotovoltaico um dos meios para carregar essas baterias. Têm também sido
criados novos dispositivos portáteis movidos à base de energia solar fotovoltaico
como: bombas de água, parquímetros, telefones de emergência, compactadores
de lixo, sinais de trânsito portáteis, postos de guarda e sinais variados.

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  Em Prédios, Edifícios - Conjuntos de painéis fotovoltaicos são agregados a
edifícios. Ou integrados nos telhados, ou dentro das paredes ou ainda numa zona
do solo próxima do edifício. O uso de painéis de energia solar fotovoltaicos em
edifícios domésticos ou industriais tem vindo a aumentar. Por norma os painéis
de energia solar fotovoltaico são instalados nos telhados, ou o próprio telhado da
casa é um conjunto de painéis fotovoltaicos.
 Eletrificação Rural - Países em desenvolvimento que têm aldeias afastadas das
redes principais de energia começaram a usar painéis de energia solar
fotovoltaicos.

Projeto Megawatt Solar

Toda energia que recebemos diariamente vem do Sol. Considerada uma fonte
eterna de energia, amplamente disponível e gratuita, o Sol fornece em um único dia,
mais energia que a demanda de todos os habitantes do planeta durante um ano. A luz
solar, fonte de energia essencial para a sobrevivência do planeta, também pode nos
prover eletricidade de forma limpa e renovável.
Tendo em vista os problemas ambientais causados pelos combustíveis fósseis, as
crescentes dificuldades na obtenção de licenciamento ambiental de usinas hidrelétricas,
a redução nos custos de produção dos módulos fotovoltaicos e as condições
extremamente favoráveis de irradiação solar no Brasil, a energia solar se apresenta
como uma fonte bastante interessante a ser explorada, tal como já acontece na
Alemanha, Espanha, EUA e Japão, líderes no desenvolvimento e utilização desta
tecnologia.
Por esta razão, a ELETROSUL, comprometida com o meio ambiente e com o
objetivo de incentivar o desenvolvimento da energia solar na América Latina, lançou o
projeto MEGAWATT SOLAR, com financiamento do Banco de Fomento Alemão
Bankengruppe com fundo do Ministério (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz
und Reaktorsicherheit) e da Eletrobras e o apoio da Agência Alemã de Cooperação
Internacional (Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit GmbH), da
Universidade Federal de Santa Catarina e do Instituto para o Desenvolvimento de
Energias Alternativas na América Latina.
O projeto MEGAWATT SOLAR consiste na implantação de um sistema
fotovoltaico integrado ao edifício sede da ELETROSUL, utilizando a área do telhado e
dos estacionamentos adjacentes, e que será conectado à rede da distribuidora de energia
elétrica local. A usina solar terá a capacidade instalada de aproximadamente 1 MWp
(Megawatt pico).
O edifício sede da ELETROSUL será o primeiro prédio público brasileiro a
utilizar o conceito BIPV (Building Integrated Photovoltaic) conectada à rede elétrica
em larga escala.

7.4. Quarta Aula

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 Tema da aula: O Sol e a Terra.
Objetivos: Conhecer o caminho que a radiação faz do Sol até a Terra; identificar
o Sol como uma fonte importante e essencial de energia; constatar que apenas uma
minúscula fração da energia solar disponível é utilizada; analisar quais as formas de
melhor aproveitar a energia absorvida pelo planeta; valorizar o meio ambiente
desenvolvendo atitudes de respeito e sustentabilidade; transformar reflexões, discussões,
análises, em mudanças de atitude, em ações, que provoquem um desenvolvimento
sustentável em nosso país.
Motivação: Discutir com os alunos sobre a pergunta feita no final da aula
passada “Como será que essa energia que vem do sol é produzida?”.
Conteúdo Físico: Sol e suas características; o caminho da radiação, sua
interação com a Terra e instrumentos de medição.
Recursos Instrucionais: Projetor Multimídia, computador, Slide 04.
Momentos da aula:
1º Momento: (10 minutos) Apresentação do tema a ser trabalhado na aula e
lançar a motivação. Escrever no quadro as teorias dos alunos de como a energia é
produzida no sol (não apagar para que no final da aula seja possível usar esses dados).
2º Momento: (20 minutos) Usar Slide 04 para trabalhar as informações sobre o
Sol, como a radiação é produzida e transportada pra Terra.
3º Momento: (10 minutos) Agora que os educandos já sabem como a energia é
produzida no Sol, fazer uma comparação entre as teorias que estão escritas no quadro e
o que realmente acontece.
4º Momento: (10 minutos) Continuar a apresentação do Slide 04 mostrando os
instrumentos de medição.
Comentários Finais: No 2º momento, caso não haja quadro o professor pode
pedir para algum aluno anotar as teorias para a discussão posterior.

7.5. Quinta Aula

Tema da aula: Modelos atômicos;
Objetivos: Conhecer a evolução dos modelos atômicos.
Motivação: Perceber a diferença entre os modelos atômicos.
Conteúdo Físico: História e evolução dos modelos atômicos.
Recursos Instrucionais: Projetor Multimídia, computador, acesso a internet,
Slide 05, Aplicativo 01.
Momentos da aula:

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 1º Momento: (30 minutos) Apresentação do tema a ser trabalhado na aula, exibir
Slide 05. Professor deverá complementar a explicação com o Texto Professor 03 e
Texto Professor 04.
2º Momento: (10 minutos) Explorar o Aplicativo 01 juntamente com os
estudantes.
3º Momento: (10 minutos) Fazer uma breve revisão das partes fundamentais da
aula e tirar as dúvidas remanescentes.
Comentários Finais: Para apresentar o Aplicativo 01 é necessária conexão de
internet, caso não haja acesso pular o 2º momento da aula.

7.5.1. Aplicativo 01
Título: A evolução dos modelos atômicos.
Conteúdo Físico: O aplicativo possibilita ao usuário acompanhar a evolução dos
modelos atômicos, ter acesso à descrição da teoria e dos elementos do átomo, bem como
visualizar as representações subatômicas de Dalton até o modelo atual.
Como utilizar: Colocar o botão esquerdo do mouse sobre os elementos do
modelo para obter mais informações; o botão direito do mouse serve para rotacionar a
câmera; a rolagem do mouse é utilizada para alterar o zoom.
Referência: http://www.noas.com.br/ensino-fundamental-2/ciencias/a-evolucao-
do-modelo-atomico/

7.5.2. Texto Professor 03

Modelos Atômicos
Na Grécia existiam duas tendências filosóficas que abordavam diferentemente o
problema da estrutura da matéria: uma idealista e outra materialista. Os idealistas, cujos
expoentes máximos foram Platão e Aristóteles, eles acreditavam que a matéria era
formada por quatro elementos básicos: ar, agua, terra e fogo. E que estes por
combinação em diferentes proporções dariam origem a todas as substâncias. Dentre
todas as escolas idealistas destaca-se a pitagórica, segundo a qual as combinações entre
os elementos se fariam segundo relações harmônicas entre números e formas
geométricas simples.
As escolas de tendência materialista tiveram sua origem com Tales de Mileto,
segundo ele e outros filósofos as propriedades da matéria seriam explicadas através de
combinações não fixas, mas em contínua transformação dos mesmos quatro elementos
primordiais. A visão materialista teve seu ponto mais alto na teoria atômica de
Demócrito; segundo tal teoria, as substancias seriam originadas a partir da combinação
de um número praticamente infinito de partículas fundamentais indivisíveis, chamados
átomos (a-tomos = não divisível). Deferentes arranjos das partículas dariam origem a
diferentes propriedades nas substâncias.

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 Foi no século XVII que nasceu o que chamamos de ciência moderna. Muitas são
as diferenças entre as maneiras antiga e moderna de encarar a natureza. Por exemplo, o
processo pelo qual se se chega à formulação de uma teoria, elas tinham um caráter
essencialmente intuitivo, sendo profundamente marcadas pelo subjetivismo do
observador.
Na época da Revolução Francesa, a evolução da química permitiu a descoberta
de todos os elementos e a determinação de suas propriedades, culminando a publicação
da tabela periódica feita por Mendelejeff (1850). Nessa época, o átomo era considerado
indivisível, químico inglês John Dalton (1766-1844) retomou as ideias de Leucipo e
Demócrito e, baseando-se em leis já comprovadas experimentalmente, como as Leis
Ponderais, ele propôs resumidamente que o átomo seria parecido com uma bola de
bilhar, isto é, esférico, maciço e indivisível.
Nas ultimas décadas do século XIX, tornou-se evidente que os átomos eram
capazes, em certas condições, de emitir e absorver radiações eletromagnéticas, tanto
visíveis (luz) quanto invisíveis (raio x, por exemplo). Observou-se também que o átomo
pode emitir subpartículas carregadas com carga elétrica negativa, de massa milhares de
vezes menor que a dos átomos. Tais partículas foram chamadas de elétrons por seu
descobridor, o inglês J.J. Thomson.
A presença de partículas eletricamente carregadas no átomo forçou os cientistas
a postularem a existência de outra partícula carregada positivamente de forma a explicar
a neutralidade elétrica do átomo. Essa partícula – o próton foi logo observado
experimentalmente, verificando-se que sua massa é quase 2000 vezes maior que a
massa do elétron.
Por causa seu tamanho diminuto, é impossível ver o átomo, mesmo com os mais
potentes microscópios. Fazendo uma analogia, estudar o átomo é como tentar descrever
um objeto coberto por uma toalha empregando apenas o tato. Por causa dessa
dificuldade, o átomo pode ser apenas descrito através da utilização de modelos teóricos.
Tais modelos formulados a partir de observações experimentais são construídos para
explicar certo conjunto de fenômenos observados.
O modelo atômico, concebido por J.J. Thomson descrevia o átomo como uma
espécie de gelatina positivamente carregada, na qual flutuariam os elétrons, em número
suficiente para neutralizar a carga positiva.
Esse modelo, no entanto, logo se revelou inconsistente com certas experiências,
realizadas por Rutherford: ele observou que o átomo deveria ter uma estrutura
semelhante ao do sistema solar, com toda a sua carga positiva e quase toda a massa
concentrada em um pequeno núcleo central, ao redor do qual girariam os elétrons, como
planetas ao redor do Sol.
Em 1913, Niels Bohr aperfeiçoou o modelo de Rutherford, estabelecendo que os
elétrons giravam em torno do núcleo atômico segundo certas órbitas bem estabelecidas,
cujos afastamentos do núcleo são características de cada átomo, procurando explicar as
propriedades dos átomos pelas propriedades dessas órbitas.

14
 Posteriormente concluiu-se ainda que era incorreto pensar que os elétrons
pudessem ter trajetórias definidas como planetas. Assim, a ideia da trajetória foi
abandonada e substituídas por equações matemáticas cujas soluções descrevem a
distribuição dos elétrons em torno do núcleo como uma espécie de nuvem. Elas
descrevem também o comportamento dos átomos. Essa formulação matemática
constituiu um novo ramo da ciência, chamada Mecânica Quântica, que consegue
descrever quase todos os fenômenos químicos, elétricos e magnéticos.
Texto adaptado PEF [1]

7.5.3. Texto Professor 04

Modelo Atual

Muitos séculos nos separam dos antigos gregos, mas a ideia de átomo cada vez
mais precisou ser relembrada e aprimorada na tentativa de compreender a natureza das
coisas.
Atualmente a Física Quântica tem o melhor modelo, nessa teoria a matéria é
interpretada como sendo constituída por átomos, que agrupados vão formar moléculas,
que por sua vez formarão todas as coisas que existem na natureza.
Cada material é constituído de um tipo de átomo, tendo cada átomo uma
estrutura formada por duas regiões distintas. A região central onde estão confinados os
prótons, nêutrons e outras partículas menores é chamada de núcleo. A outra é a
eletrosfera, região em torno do núcleo onde se movimentam os elétrons. Num átomo
normal, o número de prótons no núcleo é igual ao número de elétrons na eletrosfera.
Para termos uma ideia das dimensões relativas dessas duas regiões, se
pudéssemos aumentar o átomo de hidrogênio de tal forma que seu núcleo alcançasse o
tamanho de uma azeitona, o raio da eletrosfera alcaçaria o tamanho de um estádio de
futebol, como o Morumbi, por exemplo.
Mesmo para átomos com poucos elétrons, como o hidrogênio (que só tem um),
associamos á eletrosfera à ideia de nuvem devido ao intenso movimentos dos elétrons a
grandes velocidades ao redor do núcleo.
O número de prótons que há no núcleo de um átomo é chamado número
atômico desse átomo. É esse número que caracteriza o átomo como o de um
determinado elemento. E estudos detalhados de átomos que possuem muitos elétrons,
não se distribuem ao acaso em torno do núcleo; os elétrons se dividem em camadas.
Cada camada está a uma distancia diferente do núcleo.
De todas as camadas eletrônicas de um átomo, a mais importante, do ponto de
vista químico, é a mais externa, chamada camada de valência.
Texto adaptado de GREF [2]

7.6. Sexta Aula

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 Tema da aula: Luz, condutor e isolante elétrico.
Objetivos: Desenvolver o raciocínio investigativo, e apresentar ideias físicas
básicas sobre os condutores e isolantes elétricos.
Motivação: Despertar curiosidade quanto à composição da luz, dos materiais
isolantes e condutores.
Conteúdo Físico: Natureza da luz, teoria corpuscular, condutor e isolante.
Recursos Instrucionais: Projetor Multimídia, computador, caixa de som, Slide
06, Vídeo 03.
Momentos da aula:
1º Momento: (20 minutos) Apresentação do tema a ser trabalhado na aula. Exibir
Slide 06 até chegar ao Vídeo 03. O professor encontrará material complementar no
Texto Professor 05.
2º Momento: (15 minutos) Continuar Slide 06 sobre a teoria corpuscular,
enfatizando as características da luz que foram mostradas, trazendo-as para discussão
dos modelos de luz como onda e partícula. O professor tem auxilio do material
complementar Texto Professor 06.
3º Momento: (10 minutos) Seguir com os slides sobre isolantes e condutores. O
professor deverá aplicar o conceito de níveis de energia, a um agrupamento de átomos,
explicando como se forma um condutor. Professor pode complementar a apresentação
utilizando algumas informações extras contidas no Texto Professor 07.
4º Momento: (05 minutos) Posteriormente discutir o papel desempenhado pela
camada de valência nas propriedades elétricas (8 elétrons isolante, 1 elétron condutor).
É importante frisar o papel da camada de valência para que seja possível estabelecer as
diferenças entre condutor e isolante.
Comentários Finais: Vídeos estão anexados ao CD com as aulas.

7.6.1.Vídeo 03
Título: Dr. Quântico: Experimento fenda dupla.
Conteúdo Físico: Experimento dupla fenda.
Tempo: 8 minutos e 4 segundos.
Referência: http://www.youtube.com/watch?v=gAKGCtOi_4o

7.6.2. Texto Professor 05

Luz
A convicção de que o mundo e tudo que nele existe era constituído de matéria
em movimento levou os cientistas a procurarem modelos mecânicos que se aplicassem a
luz, ou seja, tentaram imaginar que os efeitos da luz podiam ser explicados em
pormenor, em termos de ações entre objetos materiais. Esses modelos mecânicos foram
16
úteis durante algum tempo, mas a longo prazo provaram ser demasiado limitados. No
entanto, a procura desses modelos conduziu a muitas descobertas importantes que, por
sua vez implicaram mudanças enormes na ciência.
A partir do século XVII, surgiu entre os cientistas uma divergência de opiniões
quanto á natureza da luz. Alguns incluindo Newton, defendiam um modelo que se
baseasse, sobretudo na ideia de que a luz se comportava como um feixe de partículas.
Outros apoiavam o modelo ondulatório. Na primeira metade do século XIX, o modelo
ondulatório ganhou aceitação geral, uma vez que se mostrou como o mais adequado
para explicar os efeitos ópticos recentemente descobertos. Essa teoria permaneceu como
dominante até os princípios do século XX , a altura que se descobriu que, por si só, nem
as partículas nem as ondas dão conta de todo o comportamento da luz, na realidade
precisamos combinar os dois modelos, fazendo uma fusão de duas teorias
aparentemente opostas.
Portanto a luz é interpretada como um pacote de energia que, nas interações com
a matéria, apresenta dois aspectos: em certas interações se comporta como partícula, em
outras se comporta como onda. Esses dois aspectos da natureza da luz fazem parte do
Modelo Quântico de luz e recebem o nome de dualidade partícula-onda.
Adaptado de Projeto Harvard [3]

7.6.3. Texto Professor 06

Teoria Corpuscular da Luz
Na Física Quântica, a matéria é interpretada como sendo construída por
moléculas, e os estados físicos (sólido, líquido e gasoso) são estabelecidos de acordo
com a agregação maior ou menor entre as moléculas.
Como já vimos na aula anterior à constituição dessas moléculas se dá pelo
agrupamento de partículas menores (iguais ou diferentes), denominadas átomos, que por
sua vez são constituídas de partículas ainda menores.
De acordo com esse modelo de matéria, existe na eletrosfera uma região onde a
probabilidade de se encontrar elétrons é maior. Tais regiões, denominadas camada de
valência, às quais são associadas quantidades de energia bem definidas - níveis de
energia -, comportam diferentes números de elétrons.
Se num átomo isolado os elétrons estiverem distribuídos entre os possíveis
níveis de energia mais baixos, tal átomo se encontra no seu estado estável, denominado
estado fundamental. Quando pelo menos um de seus elétrons absorve energia, ele muda
para um nível mais energético, mais externo em relação ao núcleo, e o átomo é
considerado excitado.
A excitação de um átomo, entretanto, não persiste por tempo indefinido. Os
elétrons retornam ao nível de origem ao emitirem as quantidades de absorvidas
anteriormente. Por não ocorrerem para quaisquer valores de energia, mas apenas para
valores definidos, correspondentes às diferenças de energia associadas aos níveis, tais
mudanças são denominadas saltos quânticos (saltos de um valor definido).

17
 Nos sólidos e líquidos, entretanto, existe ainda interações intermoleculares que
levam à formação das estruturas próprias dos diferentes materiais. Tais interações, por
envolverem um número muito grande de átomos, provocam um aumento de possíveis
níveis permitidos.
A interação luz-matéria, ou seja, a incidência de luz sobre outro material pode
ser interpretada como um processo de transferência de energia onde cada cor
corresponde a certa quantidade de energia. Assim, segundo este modelo, as diferentes
cores de luz distinguem-se pelos diferentes “pacotes” de energia (fótons).
No caso dos materiais, uma forma de diferenciá-los é através dos “saltos
quânticos" efetuados pelos elétrons dos seus átomos. O tipo de interação entre luz e
matéria depende, então, da energia do fóton incidente e da energia envolvida nos “saltos
quânticos” permitidos para os elétrons dos átomos daquele material.
Quando o fóton incide com a energia menor que o salto quântico permitido para
os elétrons, eles não mudam de nível. Se a energia do fóton incidente coincidir com a
diferença de energia entre os níveis que correspondem a “saltos quânticos” permitidos,
o fóton incidente é absorvido e posteriormente reemitido com o retorno do elétron ao
nível. Esse retorno, contudo, pode se efetuar de duas formas distintas: reemissão do
fóton incidente ou emissão de dois fótons de diferentes energias. No primeiro caso
temos o retorno imediato ao nível de origem, ocorrendo a reemissão do fóton incidente.
Já a emissão de dois fótons de energias diferentes, correspondendo cada um a “saltos
quânticos” distintos, ocorre pela passagem por um nível intermediário.
Em qualquer das situações, entretanto, a energia do fóton incidente é igual à
energia do fóton ou dos fótons emitidos, uma vez que esse modelo pressupõe o
princípio de conservação da energia. Dependendo da sua energia, o fóton emitido pode
ser classificado de visível, quando e capaz de impressionar as células fotossensíveis do
olho, de radiação de baixa energia (menor que o visível) e de radiação de alta energia
(maior que o visível).
Texto adaptado do GREF [4]

7.6.4. Texto Professor 07

Condutores e Isolantes
Quem ainda não passou pela experiência desagradável de levar um choque ao
lidar com tomadas ou aparelhos elétricos? O fato é tão corriqueiro que quase todo
mundo conhece o significado dos termos condutor e isolante; ao tocarmos um fio
elétrico desencapado com um objeto metálico, o efeito é o mesmo que se tivéssemos
tocado o fio diretamente com as mãos, por outro lado, tocando o fio com um objeto de
madeira seca, borracha ou plástico não levamos choque. Assim, um material que
transmite choque (ou seja, transmite eletricidade) é chamado condutor; o material que
não transmite eletricidade é denominado isolante.

18
 Os átomos dos metais possuem um ou dois (ás vezes três) elétrons de valência,
ou seja, elétrons fracamente ligados ao núcleo. Além disso, os átomos dos metais estão
dispostos de tal maneira que alguns ou todos os seus elétrons de valência dos átomos se
desligam, ficando livres para circular ao acaso entre os átomos das vizinhanças. Tais
elétrons são chamados elétrons livres, a eles cabe um papel primordial no fenômeno da
condução elétrica.
Já no caso dos metais isolantes, os elétrons de valência dificilmente se desligam
de seus átomos, ficando a eles presos. Desta maneira nos isolantes não há elétrons
livres.
Texto adaptado PEF [5]

7.7. Sétima Aula

Tema da aula: Semicondutores e Dopagem
Objetivos: Introduzir os conceitos de semicondutores, mostrando que estes se
situam, em termos de condução, entre os condutores e os isolantes.
Motivação: Apresentar as propriedades dos semicondutores.
Conteúdo Físico: Bandas de valência e condução, rede cristalino,
semicondutores e dopagem.
Recursos Instrucionais: Projetor Multimídia, computador, Slide 07.
Momentos da aula:
1º Momento: (20 minutos) Apresentação do tema a ser trabalhado na aula. Exibir
Slide 07, a ideia de semicondutor pode ser apresentada explicando-o como modelo
intermediário entre o condutor e o isolante. Professor encontrará material complementar
no Texto Professor 08, que além de tratar de semicondutores, faz uma revisão dos
conceitos de condutores, isolantes, corrente elétrica e rede cristalina.
2º Momento: (15 minutos) Continuar Slide 07 acrescentando a questão de que a
condução do material semicondutor depende da temperatura, aumentando com esta. O
conceito de campo elétrico pode ser utilizado para facilitar o entendimento da
polarização e, também ser associado à deformação do perfil de níveis de energia
eletrônicos. O professor tem auxilio do material complementar Texto Professor 09
3º Momento: (15 minutos) Apresentar a ultima parte dos slides, que trata do
efeito da adição de impurezas, as quais provocam a diminuição da zona proibida dos
semicondutores. Caso ache necessário, o professor poderá ler a respeito da adição de
impurezas no texto de apoio – Texto Professor 10. Para explicar o conceito de diodo,
faz-se necessário abordar as junções entre blocos de semicondutores com níveis de
impurezas diferentes.
7.7.1. Texto Professor 08
Bandas de Valência e Condução

19
 Se você tivesse um potente microscópio que permitisse ver os átomos, e
observasse um pedaço de metal sólido, por exemplo, o cobre, observaria que os átomos
de cobre tem posições regulares uns em relação aos outros: é o que chamamos de cristal
ou rede cristalina. A condução da corrente elétrica nos metais se deve ao movimento
dos elétrons livres dentro do cristal, sob ação de um campo elétrico.
O comportamento condutor dos materiais semicondutores exige um estudo
aprofundado da teoria quântica e da física do estado sólido, dos quais no presente estudo
apenas iremos citar alguns aspectos fundamentais, que permitam, mesmo que
aproximadamente, o entendimento do comportamento de certos materiais classificados
como semicondutores.
Retornemos por um instante a estrutura de um cristal, e aos seus planos de
distribuição dos átomos tomando como exemplo uma rede cristalina cúbica. Estes
átomos assim dispostos possuem seus elétrons posicionados em relação ao seu
respectivo núcleo, de acordo com o nível de energia de cada elétron; este nível pode ser
variado pela ação de energias externas, quando então podemos ter a variação das
características do cristal (e consequentemente do material do que faz parte) quando a
elevação de energia do elétron o desloca de sua órbita torno do núcleo.
Portanto, a análise dos níveis de energia, que no seu conjunto, formam as
camadas de energia ou bandas de energia, é a base para se determinar o comportamento
de tal material ou elemento. Estas camadas são classificadas em três grupos:
 A camada inferior, cujo nível de energia mais elevado é o do elétron de valência;
 A camada superior, chamada também de camada condutora, e onde se situam os
elétrons de deslocamento;
 E, eventualmente a camada proibida, livre de elétrons.
A Fig. 1 representa graficamente, em função do nível de energia E, estas 3 camadas.
Em cada um dos níveis de energia da camada inferior, encontramos 2 elétrons,
concentrados mais nos níveis de energia mais próximos do núcleo ou seja, em níveis de
energia de valor mais baixo. Resulta daí uma distribuição de elétrons como os da Fig. 2
típica de materiais condutores. Perante uma dada temperatura constante, e na ausência
de outras energias externas, esta população de elétrons tem um deslocamento
equilibrado, mantendo-se assim a característica do elemento; e, mesmo em movimento
interno, não dão origem a uma corrente elétrica. Os momentos ou conjugados destes
elétrons movimento interno, podem ser representados como na Fig. 1, onde se quer
demonstrar o equilíbrio de deslocamentos, dando assim uma parábola simétrica. Já um
nanosegundo mais tarde, a distribuição será diferente do que na Fig. 1; porém se não
houve energia externa de qualquer natureza atuando, então a simetria será mantida.

20
 Fig. 1 – Sólido com elétrons/camada, com a camada inferior parcialmente preenchida.

Fig. 2 – Distribuição de cargas em função do nível de energia.

Vamos analisar agora, o mecanismo desta condutividade. Se a este conjunto de

elétrons aplicarmos uma energia externa, elétrica por exemplo, a diferença de potencial
assim existente romperá o equilíbrio de posições e movimentos antes abordados.
Aqueles elétrons que se deslocavam na direção do campo externo serão acelerados, os
demais, retardados. Consequentemente, o gráfico dos níveis energia se deformará,
“inclinando-se” como mostra a Fig. 3. Dentro deste campo, um dado elétron “E” da
figura, recebendo energia externa passará sucessivamente a níveis de energia mais
elevados, podendo atingir o nível mais elevado da camada inferior, que é a camada
valência, e, se mais energia receber, passará a ocupar uma posição externa à camada
inferior. Em contrapartida, os elétrons que estão se deslocando no sentido inverso ao
analisado, com a desaceleração; que estão sofrendo, irão reduzir o seu nível de energia e
assim ocuparão sucessivamente, níveis mais baixos, mais próximos do núcleo.

Fig. 3 – Aplicação de uma diferença de potencial cria uma aceleração de elétrons de valência (E).

21
 O efeito desta modificação é o de desbalancear o conjunto de elétrons dos dois
lados da parábola representativa dos níveis de energia função do movimento, tal como
na Fig. 4. E deste desbalanceamento, com uma clara resultante em um dos sentidos,
levará a um acúmulo de elétrons em um dos lados, e, em consequência, o aparecimento
da corrente elétrica ou a chamada condução metálica.
Continuando o raciocínio neste sentido, uma vez que a diferença potencial
continua aplicada, podemos concluir que o desbalanceamento se amplia continuamente,
dando origem a um número cada vez maior de elétrons em movimento, o que deveria
resultar, perante uma diferença de potencial constante, numa contínua elevação da
corrente.
Tal fato não ocorre devido aos efeitos da dispersão inelástica, segundo a qual,
quanto maior o número de elétrons que se move a níveis de energia cada vez mais
elevados do lado direito da parábola da Fig. 4, tanto maior é o número de elétrons que
reduzem seus movimentos lado esquerdo, dando origem à um acréscimo proporcional
de colisões entre elétrons e átomos, do que resulta uma perda de energia, que
conhecemos por perda joule e que se apresenta na forma de calor. Recupera-se assim,
uma estabilidade no deslocamento dos elétrons, e com isto uma constância da corrente
circulante.

Fig. 4 – Pela ação do campo elétrico, ocorre uma circulação de cargas, que dão uma distribuição como a representada.

Alterando-se as condições de intensidade da energia elétrica aplicada, repete-se

o mesmo processo, até de estabelecer uma nova condição de equilíbrio, obedecendo à
relação linear expressa pela Lei de Ohm. Em termos práticos, o deslocamento
apresentado pela parábola nunca excede a fração de l% do total dos elétrons envolvidos,
mesmo no caso de elevadas correntes em bons condutores, do que se conclui que a
corrente total representa apenas uma pequena parte dos elétrons da valência existentes.
Passando-se, nesta análise estrutural, aos materiais chamados isolantes,
encontraremos a distribuição dos níveis de energia como representados na Fig. 5, em
cada nível estão situados 4 elétrons, o que já nos informa que materiais de valência 4,
quando associados entre si, tem comportamento isolante. Isso confirmado pelo fato de
que, em tais estruturas, os elementos de valência IV associam 2 a 2, dando como

22
resultado, camadas de valência com 8 elétrons, que tem um comportamento altamente
estável perante agentes externos. Resulta daí seu “comportamento isolante”, onde todos
níveis de energia estão repletos de elétrons, e assim não há deslocamentos, e onde a
camada proibida é bastante mais longa do que nos condutores, refletindo assim a maior
dificuldade dos elétrons se deslocarem, ou, em outras palavras, de poder circular uma
corrente elétrica.

Fig. 5 – Distribuição típica de materiais isolantes.

Concluímos daí que, baseado neste modelo, definem-se:

 Condutores, como substâncias onde a camada mais baixa de energia está apenas
parcialmente preenchida pelos elétrons de valência, facilitando seu
deslocamento;
 Isolantes, como aquelas substâncias onde a camada mais baixa de energia está
completamente preenchida com elétrons de valência, impossibilitando, naquele
nível, o deslocamento de elétrons.
E os materiais semicondutores? Se lembrarmos novamente do modelo das camadas
de energia, e se aplicarmos ao elemento considerado uma energia capaz de transferir
alguns elétrons da camada inferior à de condução, através camada ou banda proibida,
estes elétrons encontrarão também um número ilimitado de níveis de energia para os
quais estes elétrons podem ser acelerados ou desacelerados pela ação da energia externa
aplicada, de modo que poderá resultar uma corrente elétrica mensurável. Desta forma,
uma substância inicialmente isolante, poderá apresentar uma fraca condutividade, sendo
este valor diretamente variável com o número de elétrons transferidos. Esta situação
esta representada na Fig. 6.

Fig. 6 – Distribuição típica de materiais semicondutores.

Quando uma tal transferência de elétrons ocorre, rompe-se uma ligação de valência
e aparece na camada inferior a falta de um elétron. Esta falta é designada como uma
“lacuna”, a qual. por sua vez, pode influir no próprio comportamento condutor dos

23
elétrons da camada inferior, ao ser ocupada por um elétron de nível menor, e
transferindo assim a “lacuna” para um nível mais baixo. E assim sucessivamente.
Vemos portanto, que esta lacuna se desloca no sentido inverso do elétron em
movimento. Em suma, podemos imaginar a lacuna com uma partícula idêntica ao
elétron, com igual tamanho, carga e massa, porém com polaridade oposta, ou seja,
positiva, e que tem deslocamento também oposto aos elétrons.
Energias capazes de levar à movimentação analisada dos elétrons são diversas, e
dependem da matéria prima. Ou seja, o material considerado tem que ser “sensível” à
forma de energia que está atuando. De modo amplo, a energia calorífica (ou
simplesmente o calor), influi sensivelmente sobre todos os materiais, dependendo da sua
estabilidade térmica, que vem a ser a sua capacidade de suportar certos níveis de
temperatura sem se alterar. Este calor pode ainda ser o resultado da somatória de uma
fonte externa e de perdas internas resultantes da própria movimentação ou vibração dos
elétrons. Em um material em que se apresenta um tal processo, a condutividade se eleva
com elevação de temperatura, tendo portanto um comportamento inverso ao dos metais.
Texto adaptado do livro de SCHIMDT, Walfredo. [6]

7.7.2. Texto Professor 09

Semicondutores
Como vimos anteriormente podemos fazer uma classificação dos materiais
quanto sua condutividade elétrica tomando por base os níveis de energia que os seus
elétrons podem ter. Neles, a proximidade dos átomos faz com que haja um aumento
do número de níveis de energia possíveis para os seus elétrons. Nesta representação,
cada linha horizontal representa um nível de energia possível para o elétron. E a linha
com uma bolinha representa a existência de um elétron nesse nível assinalado.
A caracterização dos materiais como isolantes ou condutores elétricos vai
depender da diferença de energia entre os níveis que os elétrons podem vir a ocupar, que
se denomina banda de condução, e os valores dos últimos níveis já ocupados por eles, a
chamada banda de valência.
Um material isolante tem uma grande barreira energética que separa a banda de
valência da banda de condução. Assim, a passagem dos elétrons para a banda de
condução requer grande quantidade de energia, sendo justamente isso o que caracteriza
o material como isolante.
Um material condutor, ao contrário, tem sua banda de condução elétrica em
continuidade com a banda de valência. Desse modo, pequena quantidade de energia é
suficiente para que seus elétrons passem para os níveis de energia mais afastados. Por
isso, esses materiais são caracterizados como condutores elétricos.
Há uma outra distribuição dos níveis de energia onde a banda de condução e a de
valência estão separadas por uma diferença de energia menor que a dos isolantes. Neste

24
caso, com uma certa energia, os elétrons passam para a banda de condução, tornando o
material um condutor elétrico. Tal comportamento caracteriza os materiais
semicondutores. Germânio e silício são exemplos de materiais que apresentam esse
comportamento. Para eles, a energia necessária para torná-los condutores elétricos pode
ser obtida com a elevação de temperatura, incidência de luz, aumento de pressão, dentre
outros processos.
Texto adaptado. GREF [7]

7.7.3. Texto Professor 10

Dopagem
A maioria dos semicondutores tem uma condutividade extremamente sensível à
presença de impurezas. Resulta daí que duas amostras de um tal material, com mínimas
diferenças percentuais de impurezas (as vezes nem registradas numa análise química),
apresentam valores de condutividade, centenas de vezes diferentes entre si. Por esta
razão, o controle das concentrações de impurezas é extremamente crítico, eleva a
concentração de 1 impureza para 107 ou mesmo 109 partes de material básico. Assim, no
processo de dopagem, em que o semicondutor é criado com a predominância de cargas
positivas (semicondutor p) ou negativas (semicondutor n), é necessário se partir de um
material extremamente puro. Vejamos como se formam estes semicondutores p e n.
A Fig. 1 representa o caso em que associamos, um material básico, isolante,
tetravalente, no caso o silício (Si) com o antimônio (Sb). O silício é tetravalente e o
antimônio pentavalente, de modo que, apenas 4 dos 5 elétrons participam das ligações
de valência, ficando livre 1 dos elétrons num movimento próprio de rotação, e, não
estando fixo na sua posição, poderá ser deslocado com uma facilidade muito maior do
que qualquer outro elétron.
Reportando-nos á representação dos níveis de energia, temos a Fig. 2. O elétron
livre, indicado como o 5º elétron do átomo do antimônio, possui seu próprio nível de
energia a uma pequena distância abaixo da camada ou banda de condução do cristal de
silício, do que se conclui que, mesmo a presença de uma pequena quantidade de energia
externa levará este elétron ao deslocamento. Generalizando, o acréscimo de átomo de
antimônio elevará a condutividade do material Si-Sb, numa variação direta com o
numero de átomos de Sb acrescidos.

Fig. 1 – Uma impureza de antimônio (Sb) dissolvida em uma cristal de silício (Si) mantém um elétron livre, não associado à estrutura.

25
 Fig. 2 – O elétron livre de Sb se desloca na zona proibida, podendo, mediante um acréscimo de energia, entrar para a camada superior.

Este excesso de elétrons nos leva a uma mistura eletronegativa, representada por
n e também chamada de camada “doadora”.
Uma outra situação, é a em que acrescentamos ao material de valência IV, um
elemento de valência III. Por exemplo, silício (Si) com índio (In), como vêm
representados na Fig. 3. O índio é trivalente; assim, uma das ligações do silício ficará
com falta de um elétron. A falha resultante não é idêntica a uma lacuna, porém a
situação em questão poderá dar origem a uma lacuna, como veremos analisando o
posicionamento aos elétrons de valência do Si e do In, vemos que, 3 elétrons de silício
formam pares, bastante estáveis, enquanto 1 elétron de Si ficará sem par, e como tal,
menos ligado à estrutura. O que quer dizer, que o seu deslocamento se poderá dar com
mais facilidade ou com menor elevação do nível de energia, do que com os demais 3
pares Si + In. Por outro lado, esta vaga de 1 elétron poderá fazer com que elétrons de
átomos de Si vizinhos à ligação analisada se desloquem até a vaga, necessitando para
isto apenas pequena quantidade de energia térmica, deixando portanto uma lacuna na
estrutura de silício, de onde saiu.

Fig. 3 – Um átomo de Índio (In) associado ao cristal de silício, deixa 1 ligação de valência livre.

Fig. 4 – A lacuna (livre) do Índio pode ser imaginada como uma carga positiva pouco abaixo do nível superior da camada de valência, podendo ser ativado e entrar na zona proibida.

Em termos de níveis de energia, a Fig. 4 representa esta situação. A vaga que

existe na camada da valência ligada ao átomo de índio, deve ser considerada como a

26
responsável pelo posicionamento de uma lacuna (positiva) a um nível pouco abaixo do
limite superior da camada inferior. Entretanto, um elétron da estrutura circundante de
silício pode ser ativado até este nível, deixando uma lacuna no seu lugar original.
Este processo de ativação ocorre com quantidades de energia pequenas,
geralmente de natureza térmica, e representada por E no diagrama, entretanto na zona
proibida e, eventualmente, dependendo dos níveis externos de energia presentes,
passando à banda de condução.
Do exposto, concluímos que os semicondutores podem ser do tipo:
a) Semicondutores intrínsecos, onde a impureza está presente porcentagem muito
pequena e onde a condutividade é devida a igual número de elétrons livres na
camada superior e de lacunas livres camada inferior, produzidos por ativação
térmica dos elétrons através da zona ou camada proibida.
b) Semicondutores com impurezas, com excesso de elétrons onde a condutividade
depende destes elétrons na camada superior, como resultado da ativação de
elétrons livres de ligações doadoras, de átomo de valência IV + V, e sua
indicação é feita por n.
c) Semicondutores com impurezas, com excesso de lacunas, cuja condutividade
resulta da combinação de valências III + IV, portanto, com falta de elétrons, e
um excesso assim de cargas positivas. Seu tipo é eletropositivo, sua indicação é
p, e é chamado de ligação receptora.
É importante que, apesar do processo intrínseco sempre estar presente, sua
influência é superada pela ação das impurezas dos semicondutores n e p.

7.8. Oitava Aula

Tema da aula: O Efeito Fotovoltaico
Objetivos: Compreender que célula fotovoltaica é única, pois converte a luz
diretamente em eletricidade.
Motivação: Visualizar na prática o funcionamento da energia solar.
Conteúdo Físico: Efeito Fotovoltaico, as células e módulos Fotovoltaicos.
Recursos Instrucionais: Projetor Multimídia, computador, Slide 08,
Experimento 01.
Momentos da aula:
1º Momento: (20 minutos) Apresentação do tema a ser trabalhado na aula. Exibir
Slide 08, leitura complementar no Texto Professor 11.
2º Momento: (15 minutos) Agora que os alunos já sabem como o feito
Fotovoltaico ocorre, seria interessante - caso tenha acesso - mostrar novamente objetos
alimentados por esse fenômeno (carrinho solar, calculadora solar).

27
 3º Momento: (15 minutos) Para melhor visualizar o modelo fotovoltaico, o
professor deverá que executar o Experimento 01 com uma célula de tipo solar,
mostrando as tensões geradas em vazio (sem carga) e com carga variando também a
iluminação recebida pela placa. O professor deverá salientar alguns pontos importantes
tais como:
 Mostrar a diferença de tensão com e sem carga entre os terminais de saída da
placa.
 Usando um dímmer (controlador eletrônico de luminosidade para lâmpadas
incandescentes) eletrônico comum, controlar a intensidade da luz, mostrando os
efeitos na corrente de carga quando aumenta ou diminui a intensidade da luz.
Comentários Finais: Caso não seja possível disponibilizar os materiais
necessários para realizar o Experimento 01, pular o 3º Momento.

7.8.1. Experimento 01:

Título: “Como funciona uma célula fotovoltaica”
Objetivo: Demonstrar que a luz pode gerar corrente elétrica.
Motivação: Aguçar a curiosidade dos alunos, pois estes tentarão entender e
explicar a relação da luz com funcionamento de tais equipamentos.
Conteúdo Físico: Efeito Fotovoltaico
Materiais: Placa Universal, Chave H-H, Microamperímetro 100A, Célula solar
3,2 V; Trimpot 10 kW; Resistor 1,2 kResistor 10 k
Como Funciona: O microamperímetro funciona como medidor de corrente e ora
como voltímetro. Sendo assim, podemos notar a sua sensibilidade para variação de
corrente em relação à luz.

7.8.2. Roteiro Experimental

Como funciona uma célula fotovoltaica?

A célula solar é um fotodiodo com grande área de

exposição à radiação luminosa, cuja operação se dá em
condições de fornecer energia a uma carga na junção. Assim, o fotodiodo converte
energia luminosa em energia elétrica. O modelo fotovoltaico (célula solar) funciona
com uma junção de material silício N e com outra junção de material silício P
(dopados). A camada superficial é fina e transparente de forma que a luz possa chegar
até a junção das duas regiões onde os fótons são absorvidos liberando cargas de suas
ligações atômicas. Estas cargas migram para os terminais do bloco correspondente,

28
elevando o potencial entre as duas placas. Com circuito em aberto é possível atingir
tensões de 0,6 – 1,0 volts. Atualmente, as melhores células solares comerciais são feitas
de silício cristalino, com estrutura mostrada na figura abaixo.
A junção é formada por uma fina camada tipo n. Sendo fina, a região n deixa
passar radiação luminosa incidente num amplo espectro de frequência. Para aumentar a
área de exposição e ao mesmo tempo manter baixa a resistência de contato, o eletrodo
superior é feito na forma de um pente, com dente finos, como mostrado na figura.
As melhores células solares de silício tem eficiência de conversão que se
aproxima de 15%. A radiação solar no meio de um dia claro, ao nível do mar, tem
intensidade na faixa de 70-80 mW/cm2. Isto produz, numa célula com área de 40 cm2,
uma tensão de 0,6V e uma corrente de 0,9 A. Normalmente as células solares são
associadas em série ou em paralelo para produzir tensão e correntes adequados.
Materiais Necessários: Placa Universal, Chave H-H, Microamperímetro 100A,
Célula solar 3,2 V; Trimpot 10 kW; Resistor 1,2 kResistor 10 k
Procedimento: Montar o circuito da imagem abaixo:

O microamperímetro funciona como medidor de corrente e ora como voltímetro.

Sendo assim, note que a sua sensibilidade para variação de corrente em relação a luz.

7.8.3. Texto Professor 11

Efeito Fotovoltaico
O efeito fotovoltaico dá-se em materiais da natureza denominados
semicondutores que se caracterizam pela presença de bandas de energia onde é
permitida a presença de elétrons (banda de valência) e de outra onde totalmente "vazia"
(banda de condução).
O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos se caracterizam por
possuírem quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao
adicionarem-se átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, por exemplo,
haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado e que ficará "sobrando",
fracamente ligado a seu átomo de origem. Isto faz com que, com pouca energia térmica,

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este elétron se livre, indo para a banda de condução. Diz-se assim, que o fósforo é um
dopante doador de elétrons e denomina-se dopante n ou impureza n.
Se, por outro lado, introduzem-se átomos com apenas três elétrons de ligação,
como é o caso do boro, haverá uma falta de um elétron para satisfazer as ligações com
os átomos de silício da rede. Esta falta de elétron é denominada buraco ou lacuna e
ocorre que, com pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode passar a
esta posição, fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se portanto, que o boro é um
aceitador de elétrons ou um dopante p.
Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma
metade e de fósforo na outra, será formado o que se chama junção pn. O que ocorre
nesta junção é que elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os
buracos que os capturam; isto faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado p,
tornando-o negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado n, que o torna
eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico
permanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado n para o lado p; este
processo alcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de
barrar os elétrons livres remanescentes no lado n.
Se uma junção pn for exposta a fótons com energia maior que o gap, ocorrerá a
geração de pares elétron-lacuna; se isto acontecer na região onde o campo elétrico é
diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da
junção; este deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial ao qual
chamamos de Efeito Fotovoltaico. Se as duas extremidades do "pedaço" de silício forem
conectadas por um fio, haverá uma circulação de elétrons. Esta é a base do
funcionamento das células fotovoltaicas.
Portanto no efeito fotovoltaico a energia é aplicada a região de junção de um
diodo semicondutor. Os fótons incidentes quebram as ligações dos elétrons na região de
junção criando cargas livres como pares elétrons-lacunas. Estas cargas livres migram
para os dois lados da junção, aumentando a densidade de carga lá e aumentando a
voltagem da junção. Os materiais que são disponíveis são sensíveis desde a luz visível
até a região do infravermelho. A célula fotovoltaica é única porque converte a luz
diretamente em eletricidade. Nenhuma corrente ou tensão externa é necessária como
ocorre em relação aos outros dois efeitos Este tipo de célula, chamada célula solar é
usada para converter energia solar.
As primeiras células fotovoltaicas apareceram logo após as células
fotoemissivas. Elas agora são usadas numa enorme variedade de sistemas eletrônicos,
sendo por exemplo, sistemas de luz moduladas usados na comunicação com fibra ótica.
Quando o Sol é a fonte de luz, estas células são conhecidas como células solares.
Células fotovoltaicas são diodos de uma ampla área montados sobre camadas de
silício, formando um sanduíche. A camada superficial é muita fina e transparente,
permitindo a passagem da luz para que ela chega até as junções da região do sanduíche
de silício. Nesta região os fótons são absorvidos, liberando cargas de suas ligações

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atômicas. Estas cargas migram para os terminais, aumentando o potencial. Em um
circuito aberto a tensão chega a 0,6-1,0 volts e num curto circuito a corrente pode ser de
poucos mA.
Células podem ser conectadas em série para aumentar a voltagem e a corrente de
saída pode aumentar através de conexões paralelas. A eficiência típica de células solares
são de 10 a 15 por cento. Eficiência de 30% pode ser atingida, entretanto, pesquisadores
esperam poder atingir eficiência da ordem de 40% ou mais.

8. Bibliografia

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[1] PEF. Eletricidade. Rio de Janeiro: FENAME, 1975.
[2] GREF. Física 3. 2. ed. São Paulo: Edusp, 1995.
[3] PROJECTO DE FÍSICA (Projeto HARVARD) – Unidade IV - Trad. Maria Odete
Valente (Coord). Lisboa (Portugal): Fundação Calouste Gulbenkan, 1978.
[4] GREF. Física 2. 3. ed. São Paulo: Edusp, 1996.
[5] PEF. Eletricidade. Rio de Janeiro: FENAME, 1975.
[6] Schmidt, Walfredo. Materiais Elétricos. V. 1. Editora Edgard Blücher Ltda. São
Paulo, 1979.
[7] GREF. Física 3. 2. ed. São Paulo: Edusp, 1995.
[8] Eisberg, Robert & Resnick, Robert. Física Quântica. Ed. Campus. Rio de Janeiro,
1994.
[9] Gray, Paul E. & Searle, Campbell L. Eletronic Principles. John Wiley.
[10] Halliday, David et alli. Fundamentos de Física. V. 4. Livros Técnicos e Científicos
Editora AS. Rio de Janeiro, 1993.
[11]Júnior, Francisco Ramalho et alli. Física. V. 2. Editora Moderna. São Paulo, 1995.
[12] Kittel, Charles. Introdução à Física do Estado Sólido. Ed. Guanabara Dois. Rio de
Janeiro, 1992.
[13] Paraná, D. N. Física. V. 2. Editora Ática. São Paulo, 1997.
[14] BIOELETRICIDADE. O potencial brasileiro para geração de energia sustentável.
Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=8ZYJ7ZYuVTo. Acesso em: 28 nov.
2013.
[15] PAULO SELEGHIM. Usinas Fotovoltaicas. Disponível em:
http://www.youtube.com/watch?v=nj3WEQRQC9U. Acesso em: 28 nov. 2013.
[16] Energias Alternativas. Disponível em:
http://ultimosegundo.ig.com.br/ciencia/as+alternativas+da+energia/
n1237597605585.html. Acesso em: 28 nov. 2013.
[17] A evolução do modelo atômico. Disponível em: http://www.noas.com.br/ensino-
fundamental-2/ciencias/a-evolucao-do-modelo-atomico/. Acesso: 28 nov. 2013.
[18] Dr. Quântico: Experimento fenda dupla. Disponível em:
http://www.youtube.com/watch?v=gAKGCtOi_4o. Acesso em: 28 nov. 2013.

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