Baixe A Versatilidade da Bobina de Tesla na prática docente do ensino de Física e outras Notas de estudo em PDF para Física, somente na Docsity! UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ – UECE CENTRO DE CIENCIAS E TECNOLOGIA – CCT CURSO DE LICENCIATURA PLENA EM FÍSICA DOMINGOS SÁVIO DE SOUZA E SILVA A VERSATILIDADE DA BOBINA DE TESLA NA PRÁTICA DOCENTE DO ENSINO DO ELETROMAGNETISMO FORTALEZA-CE 2012 S586v Silva, Domingos Sávio de Souza A versatilidade da bobina de Tesla na prática docente do ensino do eletromagnetismo / Domingos Sávio de Souza Silva . – 2012. 66f. : il. color, enc. ; 30 cm. Monografia (Graduação) – Universidade Estadual do Ceará, Centro de Ciências e Tecnologia, Curso de Física, Fortaleza, 2012. Orientação: Profª. Drª. Eloisa Maia Vidal. 1. Ensino. 2. Eletromagnetismo. 3. Fenômenos de alta-tensão. 4. Eletrostática. 5. Eletrodinâmica. 6. Bobina de Tesla. Título. CDD: 530.11 DEDICATÓRIA A Deus, à minha querida mãe que nunca me deixou desistir, à minha amada esposa e aos meus filhos que, às suas maneiras, me mostraram que amar não é anular-se pelo outro. AGRADECIMENTOS A Deus, por me levar nos braços a maior parte da minha estrada. À minha querida mãe Luiza, pelo incentivo em todos os momentos, principalmente naqueles em os revezes da vida me faziam pensar em desistir. Ao meu inesquecível pai Gerardo, pelo legado de ensinamentos e valores que hoje norteiam minha vida. À minha amada esposa Neide, minha metade boa, minha inseparável companheira, amiga presente e auxiliadora, na saúde e na doença, na alegria e na tristeza. Aos meus filhos Samuel, Sâmia e Sara, pela ajuda decisiva no trabalho manual do protótipo da Bobina de Tesla. Ao meu irmão José Maria, primeiro incentivador e apoiador e a todos os outros irmãos, pois todos me ajudaram e estimularam, cada um de sua forma, e de maneira relevante. À Profª. Drª. Eloísa Maia Vidal, que me orientou neste trabalho, com paciência e profissionalismo. Meus agradecimentos especiais a Universidade Estadual do Ceará e aos seus professores, que nos incentivam na caminhada da produção científica e na continuação dos alunos na vida acadêmica. A todos que aqui não foram citados, mas de algum modo contribuíram para que este trabalho fosse concluído da melhor maneira possível. “Há muito tempo resolvi estudar Física para, racionalmente, negar a existência de Deus, desmascarar os crédulos e zombar dos gnósticos. Efeito inverso! A lógica da causa e efeito me revelou, muito claramente, uma inteligência infinita sobrejacente a cada Lei da Física que torna possível a existência do universo. Hoje percebo Deus em cada maravilha da natureza que me cerca, e, mais nitidamente, o vejo nas lentes dos telescópios e dos microscópios.” John Nobody LISTA DE FIGURAS Figura 1 Esquema Modular da Bobina de Tesla ................................................ 34 Figura 2 Indicação das dimensões do toróide ................................................... 40 Figura 3 Janela do Software Tesla Map (Parâmetros de Entrada e Características do Circuito Primário) ................................................... 44 Figura 4 Janela do Software Tesla Map (Características do Circuito Secundário e da Carga Capacitiva do Topo) ....................................... 44 Figura 5 Janela do Software Wintesla (Parâmetros de Entrada e Características do NST) ...................................................................... 45 Figura 6 Janela do Software Wintesla (Características do Primário) ................ 45 Figura 7 Janela do Software Wintesla (Características do Faiscador) .............. 46 Figura 8 Janela do Software Wintesla (Características do Secundário) ............ 46 Figura 9 Janela do Software Tesla Map (Características Carga de Topo)......... 47 Figura 10 Janela do Software Tesla Coil Cad (Parâmetros de Entrada) ............. 47 Figura 11 Janela do Software Tesla Coil Cad (Características do Primário)....... 48 Figura 12 Janela do Software Tesla Coil Cad (Características do Secundário).. 48 Figura 13 Janela de Software Tesla Coil Cad (Janela de Resumo)..................... 49 Figura 14 Diagrama esquemático do experimento da “ressonância” .................. 50 Figura 15 Esquema do assessório para incrementar o efeito corona ................. 51 Figura 16 Esquema do experimento “para-raios” ................................................ 52 Figura 17 Diagrama esquemático do circuito de uma BT convencional ............. 60 Figura 18 Carregamento do capacitor do primário .............................................. 61 Figura 19 Disparo do faiscador e descarga do capacitor pela bobina primária... 62 Figura 20 Indução de alta tensão no secundário e efeito corona ........................ 63 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AC – Alternative Current (Corrente Alternada) AO – Objeto de Aprendizagem BT – Bobina de Tesla EAD – Ensino à Distância EUA – Estados Unidos da América IES – Instituto de Ensino Superior MIT – Massachusetts Institute of Technology (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) MPD – Material Paradidático NST – Neon Signal Transformer (Transformador de Letreiro Neon) PCN – Parâmetros Curriculares Nacionais PCNEM – Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio PFC – Fator de Correção de Potência PSSC – Physical Science Study Committee (Comitê de Estudo de Ciências Físicas) PUC/SP – Pontifícia Universidade Católica de São Paulo SEE/BA – Secretaria de Estado de Educação da Bahia SG – Spark Gap (Centelhador ou Faiscador) UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina UNIVASF – Universidade Federal do Vale do São Francisco LISTA DE FOTOS Foto 1 Centelhador ..................................................................................... 64 Foto 2 Capacitor de garrafas ...................................................................... 64 Foto 3 Primário, secundário e carga de topo .............................................. 65 Foto 4 Transformadores NST ..................................................................... 65 Foto 5 Protótipo da Bobina de Tesla montada e operacional ................... 66 13 para o ensino de conceitos que, geralmente, são transmitidos pelo professor de maneira abstrata, como indução eletromagnética, corrente alternada, ressonância, capacitância, rigidez dielétrica do ar, efeitos fisiológicos do choque elétrico, campo eletromagnético, altas tensões com as altas frequências, emissão de ondas de rádio, circuitos ressonantes, ionizações de gases, produção de ozona, etc. Com uma BT são possíveis demonstrações elétricas das mais empolgantes. Devido ao campo eletromagnético formado, uma BT pode acender lâmpadas fluorescentes e lâmpadas de néon a vários metros de distância do aparelho, só dependendo da potência. Produz visíveis efeitos elétricos como, efeito corona, faíscas brilhantes e ruidosas, as descargas idênticas a relâmpagos e brilhantes descargas corona proporcionam um efeito espetacular e digno de um laboratório de filmes de ficção científica. Por causa de sua alta frequência, uma BT provê um modo relativamente seguro para demonstrar fenômenos que envolvem alta tensão. É um aparelho ideal para explorar nos alunos e no público leigo dimensões emocionais de modo motivador e desafiador. Contribuindo e servindo, assim, como facilitador da aprendizagem formal e informal. 1.2 Descrição dos capítulos Os próximos capítulos compõem a estrutura do trabalho que está assim disposto: No capítulo 2 foi desenvolvida a revisão bibliográfica, que resume importantes abordagens teóricas e metodológicas de conceituados autores, nas quais é embasado o escopo deste trabalho. O primeiro subitem do capítulo tece algumas reflexões sobre a formação de professores de física no Brasil e a importância do ensino de física no ensino básico. O segundo subitem aborda referências sobre o uso de experimentos de baixo custo no ensino de Física. No terceiro subitem é feito um breve panorama sobre o uso de novas tecnologias aplicadas ao ensino de Física. O quarto subitem tem como assunto as alternativas inovadoras e criativas para o ensino de Física. 14 O capítulo 3 discorre sobre a metodologia e como se processa a aplicação do projeto em uma escola pública, apresentando os recursos teóricos que embasarão o projeto e sugerindo todas as etapas práticas desde o começo até a avaliação do projeto pelo professor. No primeiro subitem priorizamos importantes recomendações no que diz respeito à segurança na construção e operação da BT, visto que trata-se de um equipamento que opera com altas tensões elétricas e, portanto, requer cuidados mais exacerbados. O segundo subitem descreve a topologia, características e parâmetros de um BT genérica, assim como apresenta e aplica as fórmulas para se determinar essas propriedades. O terceiro subitem do capítulo 3 apresenta três softwares que auxiliam na determinação das características de uma BT a partir de alguns parâmetros de entrada. O quarto subitem finaliza o capítulo sugerindo e descrevendo alguns experimentos que podem ser realizados com o auxílio de uma BT. No quarto capítulo, apresenta-se as conclusões qualitativas, perspectivas e expectativas quanto a aplicação do projeto. Finaliza-se com a apresentação da bibliografia e anexos. 1.3 Objetivos 1.3.2 Objetivo geral Apresentar alternativas metodológicas e recursos que venham a contribuir para formar uma nova visão do ensino de Física, com ferramentas que valorizem os conteúdos e a criação de atividades de aprendizagem significativa, por meio do uso de experimentos mais motivadores. 2.3.2 Objetivos específicos Projetar e construir um equipamento e utilizá-lo em demonstrações experimentais e cálculos de equações de eletricidade. 15 Conceber propostas metodológicas que auxiliem na compreensão dos conteúdos de ensino e aprendizagem de Física, especialmente eletrostática, eletrodinâmica e eletromagnetismo. Despertar a investigação crítica, criatividade, interesse, participação e pesquisa nos assuntos científicos e tecnológicos. Desenvolver competências e habilidades dos alunos no aprendizado de Física, como visualizar e manusear o experimento para entender os conceitos e problemas propostos. 18 Para superar essas dificuldades, o autor refere os caminhos apontados por esses mesmos físicos: basear o ensino em métodos e técnicas cientificamente pesquisados, bem como utilizar, de forma mais vigorosa, os recursos proporcionados pelas modernas tecnologias. Na esteira dessas constatações, boas iniciativas têm eclodido em diversos setores acadêmicos, onde destacamos as que Angotti (2006) apresenta, contextualiza e discute. São projetos inovadores para formação do Educador em Física nos regimes presencial e à distância, a saber:  Projeto Complementação em Licenciatura para Docentes graduados em áreas afins de Matemática, Química, Biologia e Física, Estado da Bahia, Convênio UFSC - Secretaria de Estado da Educação da Bahia (SEE/BA);  Projeto Licenciatura Plena em Física a Distância, sediado na UFSC;  Produção de material paradidático (MDP) digital livre e aberto, a partir de originais de licenciandos em Física da UFSC. Frisa o autor que essas iniciativas não tratam de "cumprir tabela ou cobrir lacunas", mas sim de garantir o acesso à licenciatura, aos sujeitos interessados, com o mesmo potencial daqueles que frequentam nossos IES, excluídos porque residem e trabalham em locais distantes dos centros formadores desta área. Outros autores, como Schroeder (2007) em seu artigo, extrapola a importância das aulas de Física desde as primeiras séries do ensino fundamental. Infere que esta importância está muito mais no auxílio ao desenvolvimento da autoestima e da capacidade de aprender a aprender das crianças do que em aspectos utilitários, tais como preparar os estudantes para os conteúdos do ensino médio. O autor propõe alguns exemplos de atividades que podem ser indicadas a crianças com idades entre sete e dez anos, nas quais a possibilidade de explorar a física pode ser útil para o desenvolvimento da capacidade de aprender a aprender. Destaca que a possibilidade de participar de atividades nas quais os estudantes manipulem, explorem, interajam com materiais concretos, ao invés de somente se dedicar a aulas expositivas e leituras de textos, é essencial para o desenvolvimento e o aprendizado das crianças. Ainda, segundo Schroeder, a física ainda está longe das salas de aula das quatro primeiras séries, fato esse que 19 determina a visão distorcida que os alunos do ensino médio têm em relação à Física. Esse mesmo tipo de constatação é abordada em um artigo de Ricardo e Freire, (2007) que apresenta e discute os resultados de um estudo exploratório realizado com alunos do nível médio de duas escolas do Distrito Federal. O objetivo do estudo foi identificar as concepções dos alunos a respeito do ensino da física e elaborar um cenário de investigação para futuros professores de física. 2.2 Uso de experimentos de baixo custo no ensino de Física É muito comum, nas escolas do ensino médio, depararmo-nos com professores de Física com dificuldades em construir, de forma prazerosa, contextualizada e funcional, o conhecimento físico em suas salas de aula. Por causa da não assimilação dos conceitos físicos no decorrer do curso, a Física é vista como uma disciplina complexa de ser lecionada, gerando o desinteresse dos educandos e muitas dificuldades na aprendizagem dos conteúdos. É complicado para o professor ensinar conceitos físicos com aulas exclusivamente expositivas, uma vez que estes conceitos exigem cada vez mais do professor e só com aulas dinâmicas e criativas é que é possível despertar o interesse dos alunos. Além disso, mesmo que o aluno aprenda a física na escola, ele não consegue associar o conhecimento assimilado à sua realidade, com isso, não assimila os conceitos e, por consequência, não aprende o conteúdo. Esta observação é reiterada por Araujo e Abib (2003), que afirmam que as dificuldades e problemas que afetam o sistema de ensino em geral e particularmente o ensino de Física não são recentes e têm sido diagnosticados há muitos anos, levando diferentes grupos de estudiosos e pesquisadores a refletirem sobre suas causas e consequências. Os autores ainda apontam que, o uso de atividades experimentais como estratégia de ensino de Física tem sido apontado por professores e alunos como uma das maneiras mais frutíferas de se minimizar as dificuldades de se aprender e de se ensinar Física de modo significativo e consistente. 20 A introdução da física, através da experimentação de fácil compreensão, pode dar aos alunos a motivação para aprenderem essa disciplina, além de colocá- los em contato com a ciência, despertando o pensamento crítico e aperfeiçoando a percepção dos fenômenos por meio da observação. Mas é fundamental a utilização de estratégias metodológicas adequadas, que privilegiem a reflexão e a formulação de hipóteses por parte dos alunos. Segundo Araújo e Abib, A utilização adequada de diferentes metodologias experimentais, tenham elas a natureza de demonstração, verificação ou investigação, pode possibilitar a formação de um ambiente propício ao aprendizado de diversos conceitos científicos sem que sejam desvalorizados ou desprezados os conceitos prévios dos estudantes. Assim, mesmo as atividades de caráter demonstrativo, (...) que visam principalmente à ilustração de diversos aspectos dos fenômenos estudados, podem contribuir para o aprendizado dos conceitos físicos abordados, na medida em que essa modalidade pode ser empregada através de procedimentos que vão desde uma mera observação de fenômenos até a criação de situações que permitam uma participação mais ativa dos estudantes, incluindo a exploração dos seus conceitos alternativos de modo a haver maiores possibilidades de que venham a refletir e reestruturar esses conceitos (p. 190). Nessa linha, Catelli et al. (2010) sugerem, para o estudo da cinemática do ensino médio, onde estuda-se os movimentos uniformes e acelerados, com sua invariável coleção de fórmulas e gráficos, o uso de câmeras digitais comuns, substituindo a utilização de equipamentos didáticos sofisticados de alto custo e que necessitam de treinamento para operá-los, como equipamentos com fotocélula, detectores de movimento de ultrassom, polias informatizadas, e outros. Outros conceitos difíceis de transmitir são os princípios da Ondulatória, cuja aprendizagem e compreensão das propriedades é grandemente facilitada, com os aparatos desenvolvidos em Piubelli et al. (2010). Acreditamos que as demonstrações, que podem ser realizadas com o dispositivo que desenvolvemos, facilitarão a aprendizagem e a compreensão das propriedades das ondas mecânicas e da dependência da velocidade de propagação destas com o meio.(p. 1501-1) Proposta também interessante e didaticamente atraente é o trabalho de Iachel et al. (2009) para o ramo da Astronomia, cujo propósito é utilizar-se da montagem e aplicação de instrumentos simples, como é o caso de uma luneta astronômica, para apresentar e discutir ações que promovam o ensino de Astronomia de maneira eficiente, pouco dispendiosa e, sobretudo motivadora. Destacamos também o artigo de Monteiro et al. (2009), que propõe uma atividade de baixo custo, de simples construção e de fácil utilização em sala de aula, 23 permitindo transformar a sala de aula em um ambiente de investigação, valorizando os objetivos educacionais e não meramente instrucionais. Outro trabalho que merece destaque é o estudo de Veit e Teodoro (2002) que discute a importância da modelagem no ensino-aprendizagem de Física em conexão com os novos parâmetros curriculares nacionais para o ensino médio (PCNEM). O estudo apresenta as características essenciais do software Modellus, concebido principalmente para modelagem em ciências físicas e matemática sob uma visão de ensino que destaca, no processo de aprendizagem, a exploração e a criação de múltiplas representações de fenômenos físicos e de objetos matemáticos. Na mesma linha de exploração de Objetos de Aprendizagem (OA), Sales et al. (2008) nos apresenta o Pato Quântico, software destinado à modelagem exploratória aplicada ao ensino de Física Quântica. O estudo apresenta resultados da utilização do software como metáfora para a compreensão das leis quânticas envolvendo o efeito fotoelétrico e possibilita o cálculo da constante de Planck. Os autores, utilizando o software Pato Quântico, realizaram um experimento com estudantes do ensino médio. Como resultado, ficou perceptível que a construção ou a manipulação de um modelo não depende exclusivamente de como os alunos dominam a lógica empregada na ferramenta computacional, mas sim do entendimento sobre o fenômeno físico e suas habilidades em relacioná-lo com o objetivo da atividade desenvolvida. Ainda no mesmo foco, destacamos a contribuição de Werlang et al. (2008). Utilizando como referencial teórico a teoria L. S. Vygotsky sobre a interação entre os alunos e entre os alunos e o professor, respeitando a zona de desenvolvimento proximal2 dos alunos, os autores criaram um hipertexto que utiliza recursos tecnológicos como vídeos, animações em Flash, Applets Java, figuras, textos e atividades práticas que tratam da física de fluidos. Segundo os autores foi observado que os alunos que utilizaram este material didático estavam mais predispostos ao processo ensino-aprendizagem do que os alunos que não o utilizaram, obtendo em um teste sobre os conteúdos 2 É a distância entre as práticas que uma criança já domina e as atividades nas quais ela ainda depende de ajuda. Para Vygotsky, é no caminho entre esses dois pontos que ela pode se desenvolver mentalmente por meio da interação e da troca de experiências. Não basta, portanto, determinar o que um aluno já aprendeu para avaliar seu desempenho. 24 desenvolvidos um ganho maior do que os alunos que não utilizaram o material didático. Nesse contexto, é fundamental que os professores se adaptem às novas tecnologias, fazendo cursos de capacitação, a fim de poder utilizá-las com todo o seu potencial promissor sem cometer equívocos na sua utilização como ferramenta pedagógica. As novas tecnologias já fazem parte das vivências dos alunos e tornaram-se um sistema de signos para eles. Portanto, cabe ao professor adequar- se a essa nova realidade e utilizá-la em favor do processo ensino-aprendizagem. Quanto ao papel da escola, apesar de alguns autores em artigos apontarem para problemas relacionados ao uso dos computadores, acredita-se que a escola não pode ignorar as contribuições que podem advir dos possíveis usos das ferramentas computacionais para o ensino em geral e, em especial, para o ensino de Física. Entretanto, para que esses recursos possam ser adequadamente inseridos nesses ambientes devem ser adotadas metodologias de ensino que se apoiem na utilização dos computadores como meros instrumentos para expor conteúdos substituindo o giz e a lousa, reproduzindo, assim, o ensino tradicional. 2.4 Alternativas inovadoras e criativas para o ensino de Física São muitas e as mais variadas possíveis as dificuldades encontradas pelos professores de Física, em nível fundamental e médio, no que diz respeito à escolha de condições de aprendizagem que sejam apropriadas à sua proposta e à realidade de seus alunos. É certo que se deve admitir que a baixa variedade de materiais disponíveis inclui-se, sem dúvida, entre elas. O problema se torna ainda maior quando o professor decide adotar estratégias de ensino que proporcionem a obtenção do conhecimento de forma divertida e agradável, ou seja, permita que o aluno associe o aprendizado ao prazer. O professor possui um papel importante no processo educativo, no qual deve propiciar aos seus alunos o desenvolvimento físico e intelectual e promover situações de aprendizagem em que o estudante possa expor o que sabe, de maneira a compreender e familiarizar-se com os conteúdos estudados. Porém, para que estas expectativas sejam atingidas é indispensável a utilização de atividades de ensino. 25 No entanto a seleção de atividades que atendam a essa perspectiva não é um processo simples, pois muitos professores preferem continuar usando métodos poucos eficientes a tentar algo novo que não estejam preparados. Outra situação que torna o ensino pouco produtivo é a resistência dos alunos, principalmente aquelas relacionadas com a questão da implantação de inovações didáticas. Porém essa situação pode ser contornada com o auxílio de uma metodologia compatível, principalmente, com seus interesses e conhecimentos. É nesse sentido que este trabalho procura destacar alguns exemplos de alternativas para apresentar uma saída possível para que isto ocorra trazendo ao professor propostas pedagógicas que cativem os alunos para que se engajem ativamente no processo de mudança. Comecemos por referir um projeto que traz uma abordagem diferenciada para o ensino do conceito de “campo” em sala de aula. Trata-se de uma mudança paradigmática quanto à abordagem desse conceito, dando destaque ao enfoque histórico-conceitual ao que tradicionalmente era abordado com o crivo matemático- conceitual. Segundo Rocha (2006), o conceito de campo é uma das ideias fundamentais da Física e pode produzir um proveitoso debate em sala de aula sobre as noções básicas desta ciência. Apesar de sua importância, numa aula sobre o mesmo, geralmente somente seus aspectos matemático-conceituais são enfatizados deixando-se em segundo plano os aspectos histórico-conceituais, quando estes não são simplesmente ignorados. O autor ainda frisa que uma apresentação com ênfase apenas matemático-conceitual deste conceito não explora toda a sua potencialidade. Mostra que o conceito de campo, na forma que o entendemos hoje, derivou de um complexo processo de fusão de duas concepções: a noção de campo como algo responsável pela mediação de interação entre os corpos e a noção de campo como uma função matemática das coordenadas e do tempo. Igualmente podemos ver a criatividade de Oliveira (2006), num projeto inovador em que o autor leva em consideração que super-heróis sempre foi um tema que “circulou” na mente dos adolescentes. Possivelmente todos nós temos o nosso “super-herói preferido”. Com o aumento de filmes envolvendo super-heróis exibidos 28 Pode-se esperar diversas vantagens educativas quando o professor passa a trabalhar com a construção do próprio material audiovisual de apoio. Por exemplo, dada a realidade cultural de determinada escola, um vídeo ali desenvolvido por um professor pode, além de atender imediatamente suas necessidades, ser difundido e usado por outros colegas, em contextos e condições de trabalho semelhantes. Desta forma, cada escola pode ter disponível uma videoteca virtual que atenda diretamente as necessidades dos planos curriculares adotados por elas e, até mesmo, difundida pela Rede Mundial de Computadores (Internet), segundo Rohling et al (2002). Assim, apresentou-se novas alternativas e a necessidade de abordagens metodológicas inovadoras para o ensino de ciências, mais especificamente de física e a importância de vincular ciência com arte. A escolha das abordagens apresentadas tem como objetivo principal o fato de tornar o processo de ensino e aprendizagem mais atrativo e prazeroso, no sentido de despertar o interesse e a motivação dos estudantes pela Física. 29 3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Aplicando o projeto numa escola pública De acordo com as orientações contidas nos PCN's, mais especificamente, Ciências da Natureza – Física (2008), [...] que os jovens adquiram competências para lidar com as situações que vivenciam ou que venham a vivenciar no futuro, muitas delas novas e inéditas. Nada mais natural, portanto, que substituir a preocupação central com os conteúdos por uma identificação das competências que, se imagina, eles terão necessidade de adquirir em seu processo de escolaridade média (p. 61) Neste sentido pode-se afirmar que para que haja o desenvolvimento das competências analiticamente e com criticidade, serão necessárias outras práticas implementadas pelo professor em sala de aula, que despertem as discussões, análises e realização de demonstrações para gerar habilidades em investigação e pesquisa científica, bem como criatividade para elaboração e construção de experimentos. O projeto tem como recursos didáticos as aulas expositivas que incluirão conceitos de eletrostática e eletrodinâmica da Física do 3º ano, constando: Conteúdos de Eletrostática:  força elétrica;  campo elétrico;  trabalho e potencial elétrico;  capacidade de condutores;  capacitores. Conteúdos de Eletrodinâmica:  corrente elétrica;  resistores;  geradores e receptores. Em seguida o professor usará de suas habilidades e competências para que os alunos possam se envolver e compreender as orientações, dar início aos 30 preparativos, iniciar a construção do experimento, e determinar o prazo para entrega, cuja avaliação ocorrerá dentro do 3º período letivo (bimestre). Dessa forma, na continuidade das aulas, os alunos, sob um rigoroso monitoramento e presença constante do professor, poderão manuseá-lo e aplicá-lo nos seus conhecimentos e cálculos das equações ou fórmulas de Física que serão ensinadas no eletromagnetismo e em cujo programa deverão constar os conteúdos:  Campo Magnético;  Força Magnética  Indução Eletromagnética. O início da construção da BT se dará quando os alunos já estiverem com as suas habilidades desenvolvidas nas aulas de eletrostática e eletrodinâmica, distribuídos em tantas equipes quanto forem necessárias, que construirão (adquirirão) separadamente as seguintes partes:  Capacitor de topo.  Bobina primária.  Bobina secundária.  Plataforma do Experimento.  Faiscador.  Aspirador do Faiscador.  Capacitor de vidro.  Transformador de entrada (NST). Todas as equipes receberão um plano geral da Bobina, definido em duas ou três reuniões específicas para deliberar todos os detalhes de dimensões e características elétricas de todo o equipamento. Depois dessas reuniões, as equipes serão separadas e incumbidas de suas contribuições no plano geral, quando receberão, cada uma, um plano detalhando sua tarefa. As equipes também receberão um cronograma para a realização das etapas da construção e apresentação do experimento. É necessária também a orientação do professor aos grupos, para a aquisição dos materiais, do local ou dos locais que tenham os materiais padronizados, procurando investigar e pesquisar com antecedência onde consegui- los e trazer comprovantes, que facilitem a localização dos objetos e peças. 33 3.2.2 Cuidados e precauções A seguir, enumera-se uma série de precauções para minimizar o risco de acidentes:  Nunca ajustar uma BT quando o aparelho estiver ligado.  Capacitores de alta tensão pode manter a carga por muito tempo após alimentação ser desligada. Sempre descarregue os capacitores antes de ajustar um circuito primário.  Verifique se as caixas de metal de transformadores, motores, painéis de controle e outros itens associados com bobinas de Tesla estão devidamente aterrada.  Certifique-se de que você esteja suficientemente longe da descarga corona para que ela não possa atingir você. Não entrar em contato com objetos metálicos que podem estar sujeitos a uma indução elétrica a partir do secundário.  O circuito de baixa tensão primária é extremamente perigoso! Estas voltagens são especialmente letais para os seres humanos. Certifique-se que esses circuitos estão bem isolados para que os usuários não entrem em contato com a tensão da linha AC.  Uma chave de segurança deve ser usada no circuito de baixa tensão para evitar a utilização não autorizada.  Use fusível adequado na alimentação e/ou disjuntores para limitar a corrente máxima do circuito. Não confie em seu fusível ou disjuntor doméstico para garantir uma proteção adequada!  Nunca utilize uma BT em chão molhado.  Não utilize uma BT quando animais de estimação ou crianças estiverem por perto.  Gaste algum tempo isolando adequadamente os circuitos da BT. Cola quente, fitas adesivas ou deixar fios elétricos expostos são métodos rápidos e fáceis, mas podem ser fatais. 3.3 Descrição e Cálculos de uma Bobina de Tesla genérica A seguir, procura-se descrever as partes do equipamento e os cálculos para a construção de uma BT de tamanho médio, que servirá como base para a efetivação 34 do projeto pelos professores alvos deste trabalho. O diagrama a seguir mostra o circuito completo da BT dividido em módulos, para auxiliar uma eventual divisão das atribuições aos grupos de trabalho. Figura 1 – Esquema modular da Bobina de Tesla 3.3.1 Descrição de cada módulo Módulo 1 – Alimentação É o sistema de fornecimento de energia para o circuito primário (indutor). O principal componente é um transformador para letreiros neon (NST). A tensão típica do NST é de 15kV por 30mA. O capacitor para correção de fator de potência (PFC) é utilizado para otimizar a transferência de potência e minimizar a carga indutiva sobre a rede elétrica externa. É recomendado o uso de um interruptor duplo paralelo na entrada, para ligar/desligar ambos os lados da linha de alimentação CA, por razões de segurança. 35 Módulo 2 – Faiscador Estático O Faiscador é o interruptor para transferir a energia do capacitor para a bobina primária (indutor). Consiste, geralmente, de dois cilindros de latão presos a suportes isolantes (de acrílico, p. ex.), sendo um deles fixo e o outro ajustável (acoplado a um cabo isolante de vidro ou acrílico), de modo que a separação entre eles possa ser regulada. Variando-se a distância entre os cilindros, altera-se a potência de saída da bobina (a qual diminui com a aproximação das mesmas) e pode-se regular o aparelho de acordo com a experiência que vai ser realizada. Embora o faiscador possa ser exposto, é melhor encerrá-lo em um recipiente (tipo redoma) para diminuir o ruído do faiscamento. Módulo 3 – Capacitor do primário Esse capacitor é usado para armazenar a energia do transformador e, em seguida, rapidamente, transferi-la para o enrolamento primário (indutor) pelo faiscador (interruptor). Os cálculos para a determinação dos valores do capacitor serão discutidos mais adiante. Os requisitos principais para a escolha do capacitor são: resistência dielétrica à alta tensão, baixa perda em altas frequências, capacidade para suportar pulsos elevados de corrente e variação de temperatura. Existem quatro técnicas principais para se construir um capacitor que satisfaça essas exigências: 1. Um tipo bastante eficiente é o capacitor de placas planas com camadas de folhas de plástico polivinil, alternado com folhas de papel-alumínio e imerso em um óleo de alta tensão. Desvantagem: trata-se de um processo muito demorado. 2. Capacitores de garrafa – Podem ser feitos com garrafa de cerveja (tipo A) com uma folha de alumínio em torno dela do lado de fora, cheio de água salgada concentrada e imerso em um tanque cheio de água salgada. A vantagem é que é simples e barato para construir. A principal desvantagem é que se trata de um dielétrico pobre e que, por isso, pode proporcionar grandes perdas. 3. MMC (Multi-Mini-Capacitores) Este é o processo mais utilizado atualmente pelos aficionados pela construção de Bobinas de Tesla. 38 Especificações do NST: V (tensão de entrada) = 220V E (tensão de saída) = 15kV P (potência) = 450W I = 30mA (450VA) f = 60Hz Passo 1: Módulo 1 e Módulo 2 – Determinando a capacitância do capacitor do circuito primário. Neste projeto utilizamos um faiscador estático. Por isso devemos calcular a capacitância do capacitor do circuito primário em função da frequência de trabalho do NST (60Hz), assim, temos:  Determinação da impedância (Z) do NST:  Determinação da reatância capacitiva (C): Passo 2: Neste momento, vamos omitir a concepção da bobina primária, pois o tamanho e a forma da bobina secundária já são conhecidas, e são essas características que irão basear a frequência de ressonância do primário no secundário. Cálculos da bobina secundária: Parâmetros de forma de bobina secundária:  Diâmetro externo = 11,0cm  Comprimento (altura) da bobina = 52,8cm. Estes parâmetros são baseados em uma razão 4,8:1 (comprimento da bobina / diâmetro exterior), proporção empírica para dimensionamento ideal, 39 baseada em projetos de outras BTs. AWG (bitola do fio) = 24 (0,02246pol ou 0,57054mm). voltas/centímetro = 1/0,057054 centímetros = 17,52725 voltas/cm. Onde: L = Comprimento do fio de cobre em metros. D = Diâmetro externo da bobina secundária em centímetros. H = Altura da bobina em centímetros. A = Números de voltas por centímetros. T = Total de voltas (espiras). Passo 3: Cálculo da indutância da bobina secundária e auto-capacitância, baseado nos valores do passo 2:. Onde: L = Indutância da bobina em microhenrys (µH). N = Número de espiras = 924 (equação 4) R = Raio da bobina em polegadas = (110 mm/25,4) / 2 = 2,165354”. H = Altura da bobina em polegadas = (528 mm/25,4) = 20,7874". C (auto-capacitância) = √ 40 Passo 4: Cálculo para frequência de : 1/(comprimento do fio/(186000 5280))/4 = 234,391kHz (7) Onde: Comprimento do fio = 319,3553 3,27997933pé/m = 1047,48pés. Utiliza-se essa frequência de ¼ de comprimento de onda para determinar a capacitância requerida da carga capacitiva de topo. Reatância Capacitiva de ressonância do secundário: L = 17,6025mH ( da equação 5) F = 234,391kHz (da equação 7) Capacitância necessário à carga de topo = 26,19281pF – 8,27194pF = 17,92pF Dimensões de um capacitor toroidal para ~17,92pf Diâmetro externo (maior) – d1=406 mm Diâmetro interno (menor) – d2= 127 mm ( )√ Figura 2 – Dimensões do toróide A capacitância do toróide em função dos diâmetros interno e externo é dada por: 43 fórmulas na planilha. Para cálculos mais confiáveis sugiro usar manualmente cada fórmula. Em seguida, destaco três desses softwares, TeslaMap, WinTesla e Tesla Coil Cad, que foram usados para determinar as características da bobina projetada. Esses programas podem ser baixados nos respectivos sites referidos nas referências deste trabalho. As janelas mostradas a seguir são somente as principais, pois todos esses programas trazem recursos acessórios que facilitam enormemente a determinação das características físicas e elétricas de uma BT. Um exemplo disso é o programa TeslaMap que traz o recurso (na guia Ajuda MMC) do cálculo e do esquema da malha série paralelo dos capacitores MMC, bem como o valor e tensão de isolamento de cada um desses capacitores, dado o valor do capacitor do primário e a tensão de saída do NST. 3.4.1 Janelas do Software TeslaMap Insere-se arbitrariamente os parâmetros da BT no painel da esquerda (campos ativos) e obtém-se os resultados no painel da direita da janela (campos passivos). O programa só aceita os parâmetros dentro dos limites teóricos de uma BT funcional. 44 Figura 3 – Parâmetros de Entrada e Características do Circuito Primário Figura 4 – Características do Circuito Secundário e da Carga Capacitiva do Topo 45 3.4.2 Janelas do Software WinTesla Os parâmetros desejados são inseridos mudando-se os valores de entrada com as setas para cima ou para baixo. Os outros campos são os campos passivos que retornam os valores dependentes. Figura 5 – Parâmetros de Entrada e Características do NST Observar que já é sugerido o valor do capacitor de fator de correção de potência para o NST, dados seus parâmetros de entrada e saída. Figura 6 – Características do Primário 48 Figura 11 – Características do Primário Figura 12 – Características do Secundário 49 Figura 13 – Tela Resumo 3.4.4 Criando a uma planilha específica Sugere-se como um excelente exercício de interdisciplinaridade e o, atualmente, imprescindível aprendizado e familiarização dos alunos com os princípios das planilhas eletrônicas, a criação, com a intervenção de um professor de informática, de uma planilha eletrônica específica para o projeto. As fórmulas para a programação dessa planilha serão as referidas no tópico 3.3: Descrição e Cálculos de uma BT genérica. 50 3.5 Sugestões de Experimentos com o uso da Bobina de Tesla As possíveis demonstrações que podem ser feitas com a BT são tantas que, praticamente, só dependem do nível de conhecimento, pesquisa e criatividade do professor. Enumeraremos algumas a seguir: a) Ressonância Se confeccionarmos outra bobina com as características de L2 da bobina ativa (diâmetro, altura, quantidade de espiras, diâmetro do fio, toróide com as mesmas características), e colocarmos essa nova bobina nas proximidades de L2, ela, por ressonância, se comportará da mesma maneira que L2 lançando arcos elétricos e raios corona. É o princípio da antena transmissora e receptora. Figura 14 – Diagrama esquemático do experimento da “ressonância” b) Ionização de gases Aproximando-se do secundário (L2) uma lâmpada fluorescente (que pode estar queimada) ou um tubo de vidro com ar rarefeito, representando um gás à baixa pressão, observa-se que a lâmpada (ou o tubo de vidro) se ilumina. Quanto maior a proximidade do secundário, maior é a intensidade da luminosidade do gás. Essa 53 descargas elétricas em água doce e água salgada contidas, por exemplo, em dois béqueres. Observa-se que as descargas em água doce espalham-se mais sobre a superfície do que as descargas em água salgada. A situação simula relâmpagos que caem em rios ou no mar e indica maiores riscos para o primeiro caso. 54 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS A iniciativa de desenvolver esse projeto seguiu as orientações dos PCN's, que é o de promover melhor qualidade no ensino-aprendizagem no ensejo da motivação do aluno desde os preparativos do trabalho, durante, que sempre proporciona uma salutar ansiedade e expectativa do aluno em querer ver concluído o trabalho em equipe, a montagem final e o seu funcionamento, no qual aspira desde o começo para ver a tarefa cumprida com êxito. O aluno, ao desenvolver as habilidades e as competências, tende a absorver com mais facilidade os conceitos mais abstratos, a compreender, intuir, visualizar e realizar o manuseio do experimento. Adquirirá mais familiaridade com a Física, tornando-se mais preparado para aplicação de seus conhecimentos em sua vida futura após a conclusão do Ensino Médio. Assim, procurou-se apresentar uma proposta motivadora para o ensino de eletrostática e eletrodinâmica para o ensino médio e/ou superior. Seu principal objetivo encontra-se em facilitar a compreensão de fenômenos elétricos, mediante visualização, a fim de reforçar os conceitos que foram ou que serão vistos na teoria e motivar os alunos para o estudo posterior dos referidos temas. A proposta se baseia numa da construção de uma BT, o que por si só é um excelente exercício didático, como também na implementação de uma série de experimentos práticos com materiais acessórios para a visualização de fenômenos elétricos com o auxílio da BT construída para esse fim. Os experimentos podem ser feitos em sala de aula, sem a necessidade de máquinas acessórias de elevadas potências e sofisticados sistemas de segurança. Simplesmente se emprega uma ferramenta didática de grande versatilidade capaz de reproduzir qualitativamente fenômenos associados à eletricidade. Após sua idealização e execução, a experiência tem provado ser positiva para os estudantes, principalmente em dois aspectos relevantes: a) subsídio na compreensão dos fenômenos elétricos e 55 b) motivação. Embora este projeto tenha cumprido seus objetivos levantados desde a sua criação, permanece o desafio de continuar nos aspectos metodológicos desta e de outras experiências que possibilitem que um maior número de alunos compreendam corretamente a manifestação de fenômenos a partir de sua visualização e que esse fato é visto totalmente refletido no aproveitamento da disciplina e nas avaliações. Deseja-se também, que este trabalho tenha convencido aos professores de Física de que o interesse dos alunos pela disciplina pode ser estimulado não só por apresentar uma experiência de caráter espetaculoso, mas também por uma apresentação adequada de ideias históricas. Esperamos, também, ter aberto os olhos para algumas possibilidades educacionais de envolver antigos e praticamente desconhecidos equipamentos didáticos no ensino da Física. 58 ROHLING, J. H.; NEVES, M. C. D.; SAVI, A. A.; SAKAI, F. S.; RANIERO, L. J.; BERNABE, H. S.. Produção de Filmes Didáticos de Curta Metragem e CD-ROMs para o Ensino de Física. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 24, n. 2, jun. 2002. SALES, G.; VASCONCELOS, F. H. L.; FILHO, J. A. C; PEQUENO, M. C. Atividades de modelagem exploratória aplicada ao ensino de física moderna com a utilização do objeto de aprendizagem pato quântico. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 30, n. 3, p.3501.1-3501, set. 2008. SCHROEDER, C. A importância da física nas quatro primeiras séries do ensino fundamental. Revista Brasileira de Ensino de Física, v 19, n.1, p.89-94, 2007. VEIT, E. A.; TEODORO, V. D. Modelagem no ensino/aprendizagem de física e os novos parâmetros curriculares nacionais para o ensino médio. 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O invento foi desenvolvido com a intenção de realizar experiências com correntes alternadas de altas frequências (acima de 100kHz), buscando inicialmente uma forma de gerar e transmitir correntes elétricas a grandes distâncias sem o inconveniente das enormes perdas causadas pelo efeito Joule associada à utilização de corrente contínua em materiais condutores. A Bobina de Tesla é essencialmente um transmissor de rádio sem antena, e assim Tesla merece algum crédito no que concerne à invenção do rádio, embora seu interesse estivesse mais relacionado à transmissão de energia elétrica do que à comunicação. Tesla também foi o responsável pela construção dos primeiros alternadores e, ironicamente, sempre foi desencorajado em seu trabalho por Thomas A. Edison que dizia ser impossível o uso de correntes alternadas na geração e distribuição de eletricidade em escala comercial. Descrição do equipamento A Bobina de Tesla é um transformador ressonante com núcleo de ar que permite alcançar altíssimas tensões em alta frequência com relativa facilidade. De acordo com a Figura A1.1, o sistema está composto por dois circuitos básicos: o circuito primário e o circuito secundário. Podemos observar que o primário está composto por elementos discretos: o transformador elevador de tensão T1, o centelhador (faiscador) SG, o capacitor primário C1 e a bobina primária L1. 60 O secundário compõe-se da bobina secundária L2, do terminal secundário CT e da conexão à terra GND; neste circuito o único elemento discreto é a conexão a terra GND. Tanto o terminal CT e a bobina secundária L2 possuem parâmetros distribuídos. Figura 17 – Diagrama esquemático do circuito de uma BT convencional Funcionamento A energia acumulada no capacitor primário C1 depende de 2 valores: a capacidade do mesmo e o quadrado da tensão de carga (lembrando que [E]=Joule, [C]=Farad e [V]=Volt), ou seja: O valor máximo da capacidade do capacitor primário C1 está determinado pela impedância de saída do transformador T1, à frequência de linha, que, no nosso sistema de distribuição é 60 Hz, de forma que para maximizar a energia armazenada devemos aumentar a tensão de carga. Como o sistema toma energia da linha, no nosso sistema, 220 VCA, a única solução para aumentar a tensão de carga é precisamente o emprego do transformador elevador de tensão T1. 63 Figura 20 – Indução de alta tensão no secundário provocando o efeito corona Supondo agora que a tensão no faiscador seja insuficiente para mantê-lo conduzindo (Figura A1.4), a energia transferida ao secundário fica livre para interagir com os parâmetros do circuito oscilante formado por L2 e CT (lembrar que a bobina secundária já é por si mesma um circuito oscilante). O terminal do secundário CT é na verdade um capacitor, funcionando como uma das armaduras e o plano terra fazendo a papel da restante armadura (por isso para calcular seu valor costuma-se empregar fórmulas que indicam a capacitância isotrópica correspondente à forma física do terminal CT. 64 ANEXO 2 – FOTOS DO PROTÓTIPO Foto 1 – Faiscador (Centelhador) FONTE PRÓPRIA Foto 2 – Capacitor de garrafas FONTE PRÓPRIA 65 Foto 3 – Primário, secundário e carga de topo FONTE PRÓPRIA Foto 4 – Transformadores NST FONTE PRÓPRIA