Portal do Professor

• Verificar que ? poss?vel utilizar energia el?trica das pilhas de lim?o para funcionar um motor el?trico de 3 V se elas forem adequadamente armazenada em capacitores.
• Calcular a pot?ncia fornecida pelos capacitores carregados para o motor de 3 V, durante seu funcionamento.
• Verificar como diferentes formas de energia se relacionam.
• Gerar pequenas quantidade de energia, de modo simples, utilizando o motor el?trico de 3 V, fechando o ciclo desse inter-relacionamento.

50 minutos

• constru??o de pilhas com batatas ou frutas c?tricas;
• associa??o em s?rie de pilhas de lim?o;
• conceito de potencial el?trico;
• uso de mult?metro para medida de potencial el?trico.

Juntamente com as aulas ?Compreendendo possibilidades de uso de energia em pequenas quantidades?, acess?vel no endere?o: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/verAula.html?aula=40766  e ?O problema da utiliza??o pr?tica da energia: possibilidade de armazenamento?, acess?vel no endere?o: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/verAula.html?aula=40733, tamb?m dispon?veis no Portal do Professor, esta aula integra um trio no qual s?o experimentadas situa??es que envolvem obten??o e uso de energia por meio de dispositivos de constru??o caseira. Essas aulas possuem aspectos em comum em suas propostas, tais como a explora??o de conceitos f?sicos presentes em fen?menos de f?cil observa??o e a proposi??o de uma discuss?o mais geral, relacionando as situa??es tratadas em cada atividade com o uso mais racional e eficiente da energia, importante para a preserva??o do meio ambiente e a constru??o de um modo de vida sustent?vel. Aqui, retornaremos a algumas situa??es j? discutidas nas aulas mencionadas, a fim de oferecer solu??o para problemas que ficaram pendentes e tamb?m para complementar o que foi tratado a respeito do tema obten??o e uso da energia, abordando o car?ter c?clico desta, tendo em vista que diferentes formas de energia relacionam-se e umas transformam-se em outras.

As atividades desenvolvidas, al?m de propiciarem condi??es adequadas ? observa??o dos diversos fen?menos relacionados aos conte?dos abordados na aula, permitem uma rela??o direta com outros assuntos pertinentes ao tema, que est?o presentes no dia-a-dia das pessoas. Por exemplo, o aluno ter? contato com situa??es em que energia el?trica ? gerada e armazenada. Nelas, a inter-rela??o entre tipos de energia ? observada e o problema de armazenamento de energia suficiente para acionar e fazer funcionar um pequeno motor el?trico, que j? foi assunto da aula ?O problema da utiliza??o pr?tica da energia: possibilidade de armazenamento?, ? solucionado utilizando-se uma associa??o de acumuladores (ou capacitores). Al?m disso, numa das atividades os alunos far?o o c?lculo aproximado da pot?ncia m?dia fornecida pela mesma associa??o de capacitores, ao liberar energia para funcionamento do motor el?trico. Levando em conta o resultado desse c?lculo e os tempos de carga dos capacitores e de funcionamento efetivo do motor, os alunos ter?o elementos suficientes para avaliar o desempenho desse dispositivo como fornecedor de energia e compar?-lo, por exemplo, com o das pilhas comerciais. Finalmente, o aspecto c?clico da energia tamb?m pode ser verificado em um experimento em que o motor, usado como consumidor de energia em atividades anteriormente realizadas, figura como gerador de energia el?trica, fechando o ciclo do inter-relacionamento entre formas de energia. Complementando a discuss?o, o professor poder? abordar ainda quest?es muito importantes, como o aumento da demanda por energia, que tem levado a pesquisas que objetivam a constru??o de pilhas e baterias cada vez mais eficientes, e a import?ncia do uso consciente desses dispositivos, assim como dos equipamentos cujo funcionamento depende deles.

O professor dividir? a turma em grupos de, no m?ximo, 5 estudantes. As atividades ser?o realizadas num laborat?rio de F?sica e, al?m dos materiais, ser?o utilizados recursos multim?dia (computador conectado ? internet e projetor multim?dia) para a apresenta??o de pequenos v?deos e exposi??o de alguns conceitos.

?

Atividade 1. Armazenamento em capacitores da energia gerada por um conjunto de pilhas de lim?o para funcionamento de motor el?trico de 3 V

Nesta atividade, um conjunto de 4 pilhas de lim?o, associadas em s?rie, ser? usado para carregar uma associa??o em paralelo de capacitores  com capacit?ncia equivalente de 19,3 mili Faradays (19,3 mF) ou maior. O tempo de carga do capacitor ? longo (mais de 30 minutos). O professor poder?, se achar necess?rio diminuir esse tempo, utilizar uma associa??o de 6 a 8 pilhas de lim?o em s?rie. A energia armazenada no conjunto de capacitores acionar? e far? funcionar um motor el?trico de 3 V, corrente cont?nua, por alguns segundos.

?

Material

- um motor el?trico pequeno, com alimenta??o de 3V, em corrente cont?nua;

- 4 pilhas de lim?o associadas em s?rie;

- um mult?metro digital;

- capacitores (2 de 4,7 mF por 63 V,  3 de 3,3 mF por ddp superior a 6 V) (*) ;

- fios de liga??o.

- um cron?metro.

(*) Pode-se usar tamb?m 4 capacitores de 5 mF, totalizando 20 mF.

?

O professor pode preparar as pilhas de lim?o conectadas ao conjunto de capacitores em paralelo (capacit?ncia equivalente de 19,3 mF) de 30 minutos a uma hora antes do in?cio da aula. Com os capacitores apresentando uma ddp de 1,8 V (o que levar? cerca de uma hora), o professor pedir? aos alunos que me?am a ddp entre os terminais do conjunto de capacitores antes e ap?s desconect?-lo da associa??o de pilhas de lim?o. Eles dever?o verificar que a tens?o ser? a mesma, nos dois casos. O professor deve comentar que o processo de carga do capacitor ? lento e que seria necess?rio esperar ainda v?rios minutos para que a ddp entre os terminais estivesse acima de 2,0 V, como ilustrado na figura 1. Em seguida, os alunos devem conectar os terminais do conjunto de capacitores ao motor el?trico de 3 V, verificar se ele funciona e cronometrar por quanto tempo se d? esse funcionamento. Essa situa??o ? ilustrada no v?deo dispon?vel no link a seguir.

v?deo ? capacitor de 19,3 mili F aciona motor el?trico de 3 V.    http://www.youtube.com/watch?v=Yb20y21602s&feature=relmfu

Observado o funcionamento do motor, o professor pode comentar que o uso de capacitores de grande capacit?ncia permite o ac?mulo de energia necess?ria para o acionamento e funcionamento do motor de 3 V por poucos segundos. No entanto, esse processo n?o ? eficiente pois o carregamento do capacitor ? lento e a energia acumulada ? pequena.

?

Figura 1 - Associa??o de capacitores em paralelo (capacit?ncia equivalente de 19,3 mF) com ddp de 2,03 V entre seus terminais.  (Foto produzida pelo autor)

?

Ao final dessa atividade, os estudantes dever?o responder ?s seguintes perguntas:

- O carregamento dos capacitores ? lento. O que poderia ser feito para agilizar esse carregamento?

Resposta esperada: Utilizar mais pilhas de lim?o acopladas em s?rie.

- Podemos dizer que, durante o processo de carga do capacitor, a ddp aumenta de modo linear, por exemplo, 1 V em 20 minutos, 2 V em 40 minutos, e assim por diante?

Resposta esperada: N?o. Temos que levar em considera??o que as pilhas de lim?o n?o s?o est?veis, ou seja, elas diminuem a ddp entre os terminais com o passar do tempo. Al?m disso, ? medida em o capacitor vai sendo carregado, ocorre uma resist?ncia ? inser??o de novas cargas, dificultando o processo.

?

Atividade 2.  C?lculo da pot?ncia gerada pelo capacitor para funcionamento do motor el?trico de 3 V

Nesta atividade, ser? calculada a pot?ncia fornecida pelo capacitor para o funcionamento do motor el?trico de 3 V, procedimento desenvolvido na atividade 1.

Material

- anota??es da atividade 1;

- uma calculadora cient?fica;

O professor pode, no in?cio da atividade, dizer que a rela??o entre pot?ncia, energia (ou trabalho) e o intervalo de tempo gasto na realiza??o deste trabalho (figura 2)

Figura 2 - Rela??o entre pot?ncia, trabalho e intervalo de tempo. (Figura produzida pelo autor)

Noutras palavras, os capacitores possu?am energia potencial el?trica armazenada e essa energia realizou trabalho sobre o motor el?trico fazendo-o funcionar e produzindo ainda som e calor. Considerando que toda a energia armazenada nos capacitores seja usada na realiza??o de trabalho, ? poss?vel calcular a pot?ncia fornecida por eles para o motor el?trico dividindo a energia potencial el?trica armazenada nos capacitores pelo intervalo de tempo em que o motor funcionou, medido na atividade anterior. O professor pode recordar aos alunos a express?o para c?lculo dessa energia potencial (figura 3)

                                 

Figura 3.  Rela??o entre energia potencial eletrost?tica, capacit?ncia e ddp entre os terminais de um capacitor.

(Figura produzida pelo autor)

De posse dessa rela??o, os alunos ir?o calcular a energia potencial eletrost?tica e a pot?ncia fornecida pelo capacitor (e dissipada pelo motor). Eles dever?o usar os valores da ddp medida entre os terminais da associa??o de capacitores, da capacit?ncia do conjunto, C = 19,3 mF, e do intervalo de tempo medido na atividade 1. Eles devem encontrar uma pot?ncia pouco maior que 20 mili Watts.

?

Ao final dessa atividade, os estudantes dever?o responder ?s seguintes perguntas:

- A pot?ncia fornecida pelos capacitores ? de alguns mili Watts. O que isso significa?

Resposta esperada: Que eles podem sustentar, razoavelmente, o funcionamento de um dispositivo que gaste um mil?simo de Joules a cada segundo.

- Quantos conjuntos desses capacitores, j? carregados, seriam necess?rios para funcionar satisfatoriamente (por um tempo razo?vel) um aparelho celular de 3 Watts de pot?ncia?

Resposta esperada: considerando que todos possam, simultaneamente, fornecer energia para o celular, 150 conjuntos.

?

Atividade 3. Gera??o de energia: fundamentos e aplica??es

Nesta atividade, em complementa??o ao que foi desenvolvido nas anteriores, ? verificada a possibilidade de gerar energia el?trica usando um motor comum de pequeno porte. O professor pode iniciar a atividade destacando para os alunos que se trata do mesmo motor que foi antes alimentado pelos capacitores associados em paralelo e carregados com o uso das pilhas de lim?o.

Material

- um motor el?trico pequeno, com alimenta??o de 3V, em corrente cont?nua;

- um peda?o de linha de costura;

- um mult?metro digital;

- um rel?gio digital;

- fios de liga??o.

?

Primeiramente, ligar os terminais do motor aos terminais positivo e negativo do mult?metro, configurado para a fun??o de volt?metro. Em seguida, girar o eixo do motor com a m?o, o mais depressa poss?vel, observar e anotar o valor indicado no visor do mult?metro. Depois, girar o eixo do motor com a m?o, no sentido contr?rio, o mais depressa poss?vel, observar e anotar o valor indicado no visor do mult?metro. O mult?metro indicar? valores de tens?o (ddp) de apenas alguns d?cimos de volt, com sinais opostos num e noutro caso. A situa??o ? ilustrada pelo v?deo dispon?vel no link a seguir.

v?deo ? mult?metro indica o funcionamento de um motor como gerador (vers?o 1) http://www.youtube.com/watch?v=zIm0oiqHpKM&feature=relmfu

O professor pode explicar aos alunos que um motor e um gerador el?tricos possuem estrutura an?loga, o que possibilita que um motor funcione como gerador, em certas condi??es. Pode tamb?m mencionar a regra pr?tica do eletromagnetismo que associa eletricidade, magnetismo, movimento, estabelecendo que, em condi??es adequadas, a presen?a de dois desses elementos faz surgir o terceiro.

?

? importante destacar que essa regra pr?tica ? uma ?tradu??o? muito simplificada do princ?pio da indu??o eletromagn?tica. Com base nesse princ?pio, os geradores el?tricos produzem tens?o alternada, tal como aquela dispon?vel nas tomadas el?tricas de nossas resid?ncias. Apesar de operar com base no mesmo princ?pio, o tipo de motor usado aqui possui um sistema de comuta??o (chaveamento) que possibilita sua alimenta??o com tens?o cont?nua e a correspondente produ??o de tens?o cont?nua (ou algo semelhante a isso) entre seus terminais quando ele ? operado como gerador.

? tamb?m valioso observar empiricamente que uma rota??o mais r?pida do motor produzir? uma indica??o de tens?o com maior valor (absoluto) no visor do mult?metro. Para obter esse efeito, deve-se enrolar a linha de costura no eixo do motor e, depois, puxar sua ponta, tal como se faz com um pi?o. A fixa??o de um volante (roldana) ao eixo do motor facilita essa opera??o (figura 4). O uso de um volante de maior massa ou o acoplamento de uma massa sim?trica ao volante contribui para estabilizar a rota??o.

Figura 4 - Motor com volante pl?stico acoplado e com linha de costura presa ao volante. O motor est? eletricamente conectado ao mult?metro. (Foto produzida pelo autor)

?

Figura 5 - Ao girar o volante do motor com um pux?o na linha de costura, pode-se atingir ddp acima de 2 volts.

(Foto produzida pelo autor)

Neste caso, o mult?metro indicar? valores bem maiores de tens?o (ddp), que chegam a alcan?ar 2 volts ou mais (figura 5). Esse valor ? um pouco mais do que a tens?o fornecida por uma pilha comercial comum, cuja tens?o nominal ? de 1,5 volts. O sinal da tens?o no visor do mult?metro depender? do sentido de rota??o do motor e de como seus terminais foram ligados aos do medidor. Essa situa??o ? ilustrada no v?deo dispon?vel no link a seguir.

v?deo ? mult?metro indica o funcionamento de um motor como gerador (vers?o 2) http://www.youtube.com/watch?v=bk6pU2Dqa9A&feature=relmfu

?

A tens?o um pouco mais elevada que ? gerada aqui ? suficiente para alimentar algum pequeno dispositivo de uso pr?tico, tal como um rel?gio digital (figura 6). Essa possibilidade ? ilustrada no v?deo dispon?vel no link a seguir.

v?deo ? rel?gio digital alimentado por motor funcionando como gerador  http://www.youtube.com/watch?v=mZ3b82nhObk

?

Figura 6 - Motor, usado como gerador de energia el?trica, faz funcionar um rel?gio digital.

(Foto produzida pelo autor)

Com base nessas demonstra??es, o professor pode dialogar com os alunos sobre indu??o eletromagn?tica, gera??o de energia el?trica e aplica??es pr?ticas desses princ?pios e processos tecnol?gicos. ? altamente recomend?vel estimular os alunos a levantar quest?es correlatas sobre quais gostariam de ter mais informa??es, a partir de suas viv?ncias cotidianas.

Essa abordagem emp?rica constitui um ?timo ponto de partida para uma discuss?o conceitual enriquecedora sobre a no??o de complementaridade que caracteriza a inter-rela??o das diversas manifesta??es f?sicas da energia. O professor pode construir uma s?ntese dialogada das atividades realizadas nessas tr?s aulas dispon?veis no Portal, que comp?em uma sequ?ncia: 1) Compreendendo possibilidades de uso de energia em pequenas quantidades; 2) O problema da utiliza??o pr?tica da energia: possibilidade de armazenamento; 3) Associa??o de acumuladores e inter-rela??o das formas de energia (esta aula). De in?cio, foram experimentadas situa??es conceitualmente curiosas, mas sem possibilidade alguma de aplica??o pr?tica, tais como o giro do molinete de papel e o acendimento de um led com uma r?gua atritada ou com pilhas de lim?o (ou batata). Posteriormente, observou-se como a energia fornecida por uma associa??o de pilhas de lim?o (ou batata) pode ser usada para acionar um led ou um rel?gio digital, ou armazenada em dispositivos acumuladores (capacitores) e usada para alimentar um pequeno motor el?trico. Por fim, verificou-se que esse motor pode funcionar como gerador, conforme indicado pelo mult?metro e por meio do acionamento de um rel?gio digital.

?

Do ponto de vista conceitual, essas situa??es exemplificam a inter-rela??o entre energia potencial qu?mica (uma forma de energia potencial el?trica), energia luminosa (energia radiante), energia mec?nica (presente na rota??o do motor) e energia eletromagn?tica (presente no processo de gera??o el?trica pelo motor). Tamb?m as formas t?rmica e sonora da energia estariam presentes em situa??es assim, uma vez que o motor tende a produzir ru?do e a aquecer-se enquanto funciona. Tais situa??es ilustram tamb?m que dispositivos apropriados estabelecem a conex?o entre uma e outra forma de energia, explorando diversas possibilidades tecnol?gicas descobertas e exploradas, no ?mbito da ci?ncia e da ind?stria, ao longo de d?cadas e mesmo s?culos.

?

Por exemplo, o sistema de gera??o hidrel?trica que ? majorit?rio em nosso pa?s explora a convers?o de energia mec?nica (potencial gravitacional e cin?tica) em energia el?trica, com base em geradores que operam conforme o princ?pio de indu??o eletromagn?tica. Pilhas comerciais comuns armazenam energia potencial qu?mica numa forma conveniente para a opera??o de equipamentos port?teis, facilitando enormemente diversas atividades do nosso dia-a-dia. Para tanto, essas pilhas s?o constru?das com base em rea??es qu?micas irrevers?veis, tais como aquelas ilustradas nas pilhas de lim?o e batata.

J? as pilhas recarreg?veis (baterias) utilizam rea??es qu?micas revers?veis, para propiciar um armazenamento de energia potencial qu?mica, a partir de energia (potencial) el?trica dispon?vel em fontes tais como as tomadas el?tricas (tens?o alternada) residenciais ou as existentes em autom?veis (tens?o cont?nua). Um carregador apropriado faz a conex?o entre a fonte e o tipo de bateria em uso. Essas baterias apresentam vantagens econ?micas e ecol?gicas, uma vez que podem ser reutilizadas, em vez de destinadas ao lixo ap?s o uso. Baterias de autom?veis funcionam de modo an?logo, acopladas ao um sistema que incorpora algumas adapta??es tecnol?gicas necess?rias.

Os exemplos s?o muito diversificados e ensejam trabalhos de pesquisa que costumam despertar bastante interesse entre os alunos. O professor pode propor atividades muito proveitosas com base nesses assuntos, partindo da curiosidade dos pr?prios alunos sobre os princ?pios cient?ficos e tecnol?gicos envolvidos.

?

Ao final dessa atividade, os estudantes dever?o responder ?s seguintes perguntas:

- No processo de gera??o de energia pelo motor el?trico, cite alguns tipos de energia envolvidos.

Resposta esperada: energia potencial dos nossos m?sculos, energia cin?tica do volante ao girar, energia sonora, energia t?rmica, energia el?trica.

- Como podemos conceituar energia? Sabemos realmente o que significa esse conceito?

Resposta esperada: O que podemos afirmar ? que a energia ? uma grandeza f?sica que se mant?m constante. Em princ?pio, a energia do universo ? a mesma desde seu surgimento.

?

Ao final das atividades, o professor pode comentar que a obten??o de energia e sua utiliza??o s?o hoje motivo de intensa pesquisa e reflex?o por parte dos cientistas, pol?ticos e de v?rios segmentos da sociedade, em todo o mundo. Deve ser preocupa??o de todos que, cada vez mais, a energia seja obtida de modo a provocar pouca degrada??o ao meio ambiente e que a utiliza??o desta seja feita de modo eficiente e consciente. A demanda por energia aumenta a cada dia e, com ela, surgem diversos problemas. Por exemplo, a utiliza??o de dispositivos que utilizam pilhas e baterias para seu funcionamento tem provocado um aumento sem precedentes no consumo desses itens, proporcionando maior agress?o ao meio ambiente, tendo em vista que a destina??o final da maioria delas ? o lixo comum. Desse modo, as pesquisas buscando melhor efici?ncia destas pilhas e baterias tornaram-se imprescind?veis, uma vez que esse aumento de efici?ncia leva a uma diminui??o da quantidade delas que ? utilizada nos dispositivos. Embora seja uma lei da natureza que o valor total da energia no universo n?o se altere, h? outra lei natural, relacionada ? grandeza f?sica entropia, que diz que determinados processos, ao serem realizados, n?o podem ser revertidos. Assim, a energia potencial el?trica que um litro de gasolina libera no motor de um autom?vel e que ? convertida em movimento, som e calor, n?o poder? mais se transformar na mesma quantidade de energia potencial el?trica, sendo imposs?vel reverter o processo e obter novamente o litro de gasolina, a partir dos produtos gerados. Portanto, obten??o e utiliza??o consciente e eficiente da energia deve ser objetivo de todos n?s e nossas a??es cotidianas s?o determinantes para que possamos atingi-lo.

- Para mais informa??es sobre carga e descarga de capacitores, consulte informa??es no link abaixo:

http://www.youtube.com/watch?v=nbCF12tbkVM&feature=related

- Para informa??es sobre possibilidades de gera??o e uso de energia com baixo impacto ambiental, consulte informa??es no link abaixo:

http://www.cerpch.unifei.edu.br/

- Para informa??es sobre experimentos de F?sica e acesso a projeto de geradores de energia e outros equipamentos de baixo custo, consulte informa??es no link abaixo:

http://lactea-epc.blogspot.com.br/

Ap?s a realiza??o dessa aula sobre pilhas, o estudante dever? ser capaz de:

• Compreender que a utiliza??o da energia gerada por pilhas de lim?o, armazenadas em capacitores, n?o ? um m?todo eficiente para movimentar um motor el?trico de 3V, por exemplo.
• Entender que h? um inter-relacionamento entre diferentes formas de energia e que um tipo pode ser transformando em outro.

?

- O professor pode propor um trabalho desafio para os alunos. Eles dever?o fazer uma montagem e armazenar energia no conjunto de capacitores (19,3 mF), usando o motor como gerador de energia, at? obter uma ddp de 3 V entre os terminais. Da?, fazer um led piscar. Eles n?o poder?o utilizar equipamentos el?tricos para girar o volante do motor. Dever?o faz?-lo de modo mec?nico, usando linha puxada com a m?o ou uma manivela acoplada ao volante. O professor pode dar pistas sobre a possibilidade de uso de uma manivela de pipa. Os alunos dever?o filmar suas montagens mostrando que recursos usaram para a carga do capacitor e depois demonstrarem que o objetivo de fazer o led piscar foi atingido. Eles podem realizar um "Blog-gincana" mostrando esses filmes e o melhor trabalho deve ser escolhido por vota??o realizada entre eles.