Dilatação dos sólidos 2
(Aplicações do par bimetálico)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br 

Objetivos
— Observar que o aquecimento/resfriamento de um par bimetálico provoca uma alteração na sua forma.
— Explicar o funcionamento do par bimetálico.
— Indicar algumas aplicações práticas para o par bimetálico.

Pré-requisitos
Conhecimento básico sobre dilatação térmica de um sólido.

Material
1 par bimetálico (modelo didático ou equivalente);
1 fonte de calor (fósforo, vela, lamparina etc.); pedras de gelo;
2 lâmpadas de lanterna para 3 V;
2 pilhas comuns de lanterna;
Fios de ligação (cabinho #22);
1 suporte universal para laboratório;
Garras tipo jacaré;
1 starter para lâmpada fluorescente (de 15, 20 ou 40W).

Orientação sobre a atividade
Dividimos esta atividade em duas partes.
A primeira é uma experiência qualitativa muito simples, com um roteiro de discussão.
Para efetuá-la, o aluno deve ter apenas uma noção básica do que seja o fenômeno de dilatação térmica, ou seja, saber que, (a) de modo geral, uma certa substância se expande ao ser aquecida e se contrai ao ser resfriada; (b) tendo cada material um certo coeficiente de dilatação, que indica o quanto ele se expande ou se contrai, ao sofrer uma variação unitária de temperatura.
Com base nisso, o aluno irá observar e explicar o que ocorre com um par bimetálico ao ser aquecido e resfriado.
É importante que nas duas situações os alunos observem o par, até atingir a forma curva (modelo didático).

A segunda constitui-se na montagem e observação de um circuito elétrico simples onde se utiliza um par bimetálico. Por envolver algumas noções de circuitos elétricos, sugerimos que o professor faça a montagem em classe, explicando aos alunos cada etapa.
O principal objetivo desta segunda parte é levar os alunos a terem uma idéia de como podemos utilizar
um par bimetálico como sensor de temperatura. É interessante que eles próprios tentem também imaginar outras aplicações práticas para o par.

Sugerimos, a seguir (fig. 1), um circuito elétrico. Cabe ao professor optar por montá-lo ou não como, também, procurar outras idéias.

O interruptor térmico
Podemos montar vários circuitos elétricos, utilizando um par bimetálico para faze-lo funcionar como um interruptor térmico; um sensor de temperaturas. Sugerimos um circuito que consideramos o mais simples, para que o aluno possa entender o que ocorre.

Nesse circuito P₁ e P₂ são pilhas comuns de lanternas de 1,5V cada, ligadas em série, de modo que a tensão total disponível é de 3,0 V.  L₁ e L₂ são lâmpadas (para lanternas de 2 pilhas) associadas em série e PB é um starter para lâmpada fluorescente (qualquer modelo), normalmente constituído por um ou dois pares bimetálicos.
O professor deverá acompanhar as instruções dos itens 1 a 7 para a construção e demonstração do interruptor térmico.

1. Montar o circuito só com as duas pilhas e as duas lâmpadas em série, sem o par bimetálico.
2. Dar uma noção do que ocorre nesse circuito; por exemplo, "a pilha fornece energia que é transportada por certas partículas até às lâmpadas; daí o brilho das mesmas". A 'profundidade' das explicações ficará ao cargo do professor, na dependência do nível escolar da classe. A única observação, para a qual alertamos, é não usar termos populares, tais como, 'voltagem' e 'amperagem' em lugar de 'diferença de potencial' e 'intensidade de corrente elétrica'. 

Ainda, algo assim, poderão ser acrescentados nessas noções:
   •Quanto mais pilhas, mais energia e, portanto, maior o brilho [use inicialmente uma pilha e depois, duas].
   •Como há 2 lâmpadas iguais, a energia das pilhas é dividida em duas: metade para cada lâmpada.
   •Para a energia ser transportada para as lâmpadas, precisamos ter um circuito fechado. Se abrirmos
    esse circuito, em algum ponto, as lâmpadas se apagam.

3. Quebrar a ampola de vidro do starter para a lâmpada fluorescente (use um pano para envolve-lo e bata com um martelo) e observá-lo atentamente. Ele é constituído normalmente de um (B) ou dois (A) pares bimetálicos, como mostramos na fig. 2.

4. Verificar que, ao se aquecer (com a chama de uma lamparina) o starter, as lâminas se unem e ao se resfriar, elas se separam.
5. Ligar o starter em paralelo com uma das lâmpadas (optamos pela L₂). Use fios dotados de jacarés.
6. Verificar e explicar o que ocorre com o brilho da lâmpada quando o starter for aquecido, através da chama de um fósforo ou da lamparina.
Quando as lâminas estão separadas, não há passagem de corrente elétrica pelo par (PB), pois o trecho de circuito AB, onde se encontra o PB, está aberto. As duas lâmpadas brilham como antes de ligarmos o par no circuito, como se ilustra na fig. 3a.

Ao aquecermos o starter, as lâminas se juntam e fecham o circuito no trecho AB que contém PB. Como ele tem resistência muito pequena (praticamente, zero), quase toda corrente elétrica (I’) passa pelo par PB e não pela lâmpada L₂. L₂ se apaga e L₁ brilha mais, pois agora a corrente que passa por L₁ (I') é maior que antes (I), uma vez que L₂ não consome energia das pilhas. Ilustramos isso na fig. 3b.

7. Aquecer (por meio de um fósforo) e resfriar (soprando) o par PB várias vezes e observar, em seguida, que a lâmpada L₂ se acende e apaga enquanto L₁ aumenta e diminui o brilho. Veja pergunta sobre 'Alarme de incêndio' (Proced. 9)

Explicando o funcionamento do bimetal
Você já deve ter observado e estudado o que ocorre quando aquecemos e resfriamos uma substância. No primeiro caso, há uma expansão da mesma e no segundo, uma contração. Habitualmente se usa o termo 'dilatação' quando se refere apenas à expansão; não deve ser assim, o termo dilatação deve se referir tanto à expansão como a contração. Ocorre 'dilatação' quando a substância sofre uma variação de temperatura.
Você também já deve ter constatado que cada objeto sofre uma dada dilatação, quando sujeito à uma determinada variação de temperatura, cujo valor depende essencialmente de suas dimensões e do coeficiente de dilatação do material de que é feito o objeto. Este coeficiente é uma característica da substância.

Imagine, por exemplo, a seguinte situação:
Duas barras de metais diferentes, de mesmo comprimento inicial, são aquecidas simultaneamente por uma mesma fonte de calor.
Se o material de que é feita a barra A tem coeficiente de dilatação linear maior do que o da barra B, verificaremos que A se dilata mais do que B, conforme ilustramos na fig. 4a.

Imagine agora que soldamos essas duas barras, uma sobre a outra, tal como mostra a fig. 4b.
O que você espera que ocorra ao aquecermos esse conjunto?
É justamente isso que você irá observar nesta atividade.

A esse conjunto de duas lâminas de materiais diferentes, unidas uma sobre a outra, damos o nome de par bimetálico.
Você irá aquecer e resfriar um par bimetálico tal como o da fig.5 (modelo didático) e observar o que ocorre.

Procedimento - Parte A
1 — Faça uma marca qualquer em um dos lados do par bimetálico, para identificar suas faces.
2 — Aqueça o par, por meio de uma fonte de calor, em duas posições, tal como mostra a fig. 6.

Descreva o que ocorre com o par em cada situação e procure explicar o porquê.

3 — Com base no que você observou em (2), identifique a lâmina que mais se dilatou ao ser aquecida.
4 — Coloque agora o par em contato com o gelo: do mesmo modo que em (2), uma vez cada face.
        Descreva o que você observou.

5 — Com base no que você observou em (4), identifique a lâmina que mais se contraiu ao ser resfriada.
6 — Compare o comportamento do par nas situações (2) e (4), de aquecimento e resfriamento. 
        Explique a diferença.
7 — Identifique a lâmina que possuí maior coeficiente de dilatação.
8 — Procure imaginar algumas aplicações práticas para o par bimetálico.
9 — Como você poderia montar um circuito de alarme contra o fogo, utilizando um par bimetálico?
        Desenhe esse circuito e descreva seu funcionamento.

Procedimento - Parte B
Efetue com este par uma aplicação. Para isso, peça orientação ao seu professor... ou, invente à vontade!

Comentários
Itens 2 e 3 - A fig. 7a ilustra o que ocorre com o par bimetálico, quando aquecido. O material de que é feita a lâmina B tem maior coeficiente de dilatação do que o da lâmina A e, portanto, dilata-se mais.

Itens 4 e 5 - A fig. 7b ilustra o que ocorre quando o par bimetálico é resfriado. A lâmina B se contrai mais do que a A, o que confirma que o coeficiente de dilatação de B é maior que o de A.

Item 6 - Estando o par sem deformação (lâminas planas) à temperatura ambiente, ele se curvará num sentido, quando aquecido acima da temperatura ambiente e se curvará no sentido oposto, quando resfriado abaixo da temperatura ambiente.

Item 7 - Veja as respostas dos itens 2 e 5.

Item 8 - Algumas aplicações para o par bimetálico: termostatos para geladeiras; ferro automático de passar roupa; alarmes contra incêndio; termômetros para altas temperaturas etc.

Item 9 - O mesmo circuito da fig. 3a. Quando a fonte de calor é mantida junto ao par bimetálico, uma das lâmpadas permanecerá acesa e a outra apagada. Uma das lâmpadas pode ser indicadora da situação normal e a outra, da situação de incêndio.