• Verificar que é possível utilizar energia elétrica das pilhas de limão para funcionar um motor elétrico de 3 V se elas forem adequadamente armazenada em capacitores.
• Calcular a potência 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 elétrico de 3 V, fechando o ciclo desse inter-relacionamento.

• construção de pilhas com batatas ou frutas cítricas;
• associação em série de pilhas de limão;
• conceito de potencial elétrico;
• uso de multímetro para medida de potencial elétrico.

Juntamente com as aulas “Compreendendo possibilidades de uso de energia em pequenas quantidades”, acessível no endereço: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/verAula.html?aula=40766  e “O problema da utilização prática da energia: possibilidade de armazenamento”, acessível no endereço: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/verAula.html?aula=40733, também disponíveis no Portal do Professor, esta aula integra um trio no qual são experimentadas situações que envolvem obtenção e uso de energia por meio de dispositivos de construção caseira. Essas aulas possuem aspectos em comum em suas propostas, tais como a exploração de conceitos físicos presentes em fenômenos de fácil observação e a proposição de uma discussão mais geral, relacionando as situações tratadas em cada atividade com o uso mais racional e eficiente da energia, importante para a preservação do meio ambiente e a construção de um modo de vida sustentável. Aqui, retornaremos a algumas situações já discutidas nas aulas mencionadas, a fim de oferecer solução para problemas que ficaram pendentes e também para complementar o que foi tratado a respeito do tema obtenção e uso da energia, abordando o caráter cíclico desta, tendo em vista que diferentes formas de energia relacionam-se e umas transformam-se em outras.

As atividades desenvolvidas, além de propiciarem condições adequadas à observação dos diversos fenômenos relacionados aos conteúdos abordados na aula, permitem uma relação direta com outros assuntos pertinentes ao tema, que estão presentes no dia-a-dia das pessoas. Por exemplo, o aluno terá contato com situações em que energia elétrica é gerada e armazenada. Nelas, a inter-relação entre tipos de energia é observada e o problema de armazenamento de energia suficiente para acionar e fazer funcionar um pequeno motor elétrico, que já foi assunto da aula “O problema da utilização prática da energia: possibilidade de armazenamento”, é solucionado utilizando-se uma associação de acumuladores (ou capacitores). Além disso, numa das atividades os alunos farão o cálculo aproximado da potência média fornecida pela mesma associação de capacitores, ao liberar energia para funcionamento do motor elétrico. Levando em conta o resultado desse cálculo e os tempos de carga dos capacitores e de funcionamento efetivo do motor, os alunos terão elementos suficientes para avaliar o desempenho desse dispositivo como fornecedor de energia e compará-lo, por exemplo, com o das pilhas comerciais. Finalmente, o aspecto cíclico da energia também pode ser verificado em um experimento em que o motor, usado como consumidor de energia em atividades anteriormente realizadas, figura como gerador de energia elétrica, fechando o ciclo do inter-relacionamento entre formas de energia. Complementando a discussão, o professor poderá abordar ainda questões muito importantes, como o aumento da demanda por energia, que tem levado a pesquisas que objetivam a construção de pilhas e baterias cada vez mais eficientes, e a importância do uso consciente desses dispositivos, assim como dos equipamentos cujo funcionamento depende deles.

O professor dividirá a turma em grupos de, no máximo, 5 estudantes. As atividades serão realizadas num laboratório de Física e, além dos materiais, serão utilizados recursos multimídia (computador conectado à internet e projetor multimídia) para a apresentação de pequenos vídeos e exposição de alguns conceitos.

Atividade 1. Armazenamento em capacitores da energia gerada por um conjunto de pilhas de limão para funcionamento de motor elétrico de 3 V

Nesta atividade, um conjunto de 4 pilhas de limão, associadas em série, será usado para carregar uma associação em paralelo de capacitores  com capacitância equivalente de 19,3 mili Faradays (19,3 mF) ou maior. O tempo de carga do capacitor é longo (mais de 30 minutos). O professor poderá, se achar necessário diminuir esse tempo, utilizar uma associação de 6 a 8 pilhas de limão em série. A energia armazenada no conjunto de capacitores acionará e fará funcionar um motor elétrico de 3 V, corrente contínua, por alguns segundos.

Material

- um motor elétrico pequeno, com alimentação de 3V, em corrente contínua;

- 4 pilhas de limão associadas em série;

- um multímetro digital;

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

- fios de ligação.

- um cronômetro.

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

O professor pode preparar as pilhas de limão conectadas ao conjunto de capacitores em paralelo (capacitância equivalente de 19,3 mF) de 30 minutos a uma hora antes do início da aula. Com os capacitores apresentando uma ddp de 1,8 V (o que levará cerca de uma hora), o professor pedirá aos alunos que meçam a ddp entre os terminais do conjunto de capacitores antes e após desconectá-lo da associação de pilhas de limão. Eles deverão verificar que a tensão será a mesma, nos dois casos. O professor deve comentar que o processo de carga do capacitor é lento e que seria necessário esperar ainda vários 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 elétrico de 3 V, verificar se ele funciona e cronometrar por quanto tempo se dá esse funcionamento. Essa situação é ilustrada no vídeo disponível no link a seguir.

vídeo – capacitor de 19,3 mili F aciona motor elétrico 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 capacitância permite o acúmulo de energia necessária para o acionamento e funcionamento do motor de 3 V por poucos segundos. No entanto, esse processo não é eficiente pois o carregamento do capacitor é lento e a energia acumulada é pequena.

Figura 1 - Associação de capacitores em paralelo (capacitância equivalente de 19,3 mF) com ddp de 2,03 V entre seus terminais.  (Foto produzida pelo autor)

Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:

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

Resposta esperada: Utilizar mais pilhas de limão acopladas em série.

- 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: Não. Temos que levar em consideração que as pilhas de limão não são estáveis, ou seja, elas diminuem a ddp entre os terminais com o passar do tempo. Além disso, à medida em o capacitor vai sendo carregado, ocorre uma resistência à inserção de novas cargas, dificultando o processo.

Atividade 2.  Cálculo da potência gerada pelo capacitor para funcionamento do motor elétrico de 3 V

Nesta atividade, será calculada a potência fornecida pelo capacitor para o funcionamento do motor elétrico de 3 V, procedimento desenvolvido na atividade 1.

Material

- anotações da atividade 1;

- uma calculadora científica;

O professor pode, no início da atividade, dizer que a relação entre potência, energia (ou trabalho) e o intervalo de tempo gasto na realização deste trabalho (figura 2)

Figura 2 - Relação entre potência, trabalho e intervalo de tempo. (Figura produzida pelo autor)

Noutras palavras, os capacitores possuíam energia potencial elétrica armazenada e essa energia realizou trabalho sobre o motor elétrico fazendo-o funcionar e produzindo ainda som e calor. Considerando que toda a energia armazenada nos capacitores seja usada na realização de trabalho, é possível calcular a potência fornecida por eles para o motor elétrico dividindo a energia potencial elétrica armazenada nos capacitores pelo intervalo de tempo em que o motor funcionou, medido na atividade anterior. O professor pode recordar aos alunos a expressão para cálculo dessa energia potencial (figura 3)

Figura 3.  Relação entre energia potencial eletrostática, capacitância e ddp entre os terminais de um capacitor.

(Figura produzida pelo autor)

De posse dessa relação, os alunos irão calcular a energia potencial eletrostática e a potência fornecida pelo capacitor (e dissipada pelo motor). Eles deverão usar os valores da ddp medida entre os terminais da associação de capacitores, da capacitância do conjunto, C = 19,3 mF, e do intervalo de tempo medido na atividade 1. Eles devem encontrar uma potência pouco maior que 20 mili Watts.

Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:

- A potência fornecida pelos capacitores é de alguns mili Watts. O que isso significa?

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

- Quantos conjuntos desses capacitores, já carregados, seriam necessários para funcionar satisfatoriamente (por um tempo razoável) um aparelho celular de 3 Watts de potência?

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

Atividade 3. Geração de energia: fundamentos e aplicações

Nesta atividade, em complementação ao que foi desenvolvido nas anteriores, é verificada a possibilidade de gerar energia elétrica 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 limão.

Material

- um motor elétrico pequeno, com alimentação de 3V, em corrente contínua;

- um pedaço de linha de costura;

- um multímetro digital;

- um relógio digital;

- fios de ligação.

Primeiramente, ligar os terminais do motor aos terminais positivo e negativo do multímetro, configurado para a função de voltímetro. Em seguida, girar o eixo do motor com a mão, o mais depressa possível, observar e anotar o valor indicado no visor do multímetro. Depois, girar o eixo do motor com a mão, no sentido contrário, o mais depressa possível, observar e anotar o valor indicado no visor do multímetro. O multímetro indicará valores de tensão (ddp) de apenas alguns décimos de volt, com sinais opostos num e noutro caso. A situação é ilustrada pelo vídeo disponível no link a seguir.

vídeo – multímetro indica o funcionamento de um motor como gerador (versão 1) http://www.youtube.com/watch?v=zIm0oiqHpKM&feature=relmfu

O professor pode explicar aos alunos que um motor e um gerador elétricos possuem estrutura análoga, o que possibilita que um motor funcione como gerador, em certas condições. Pode também mencionar a regra prática do eletromagnetismo que associa eletricidade, magnetismo, movimento, estabelecendo que, em condições adequadas, a presença de dois desses elementos faz surgir o terceiro.

É importante destacar que essa regra prática é uma “tradução” muito simplificada do princípio da indução eletromagnética. Com base nesse princípio, os geradores elétricos produzem tensão alternada, tal como aquela disponível nas tomadas elétricas de nossas residências. Apesar de operar com base no mesmo princípio, o tipo de motor usado aqui possui um sistema de comutação (chaveamento) que possibilita sua alimentação com tensão contínua e a correspondente produção de tensão contínua (ou algo semelhante a isso) entre seus terminais quando ele é operado como gerador.

É também valioso observar empiricamente que uma rotação mais rápida do motor produzirá uma indicação de tensão com maior valor (absoluto) no visor do multímetro. 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 pião. A fixação de um volante (roldana) ao eixo do motor facilita essa operação (figura 4). O uso de um volante de maior massa ou o acoplamento de uma massa simétrica ao volante contribui para estabilizar a rotação.

Figura 4 - Motor com volante plástico acoplado e com linha de costura presa ao volante. O motor está eletricamente conectado ao multímetro. (Foto produzida pelo autor)

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

(Foto produzida pelo autor)

Neste caso, o multímetro indicará valores bem maiores de tensão (ddp), que chegam a alcançar 2 volts ou mais (figura 5). Esse valor é um pouco mais do que a tensão fornecida por uma pilha comercial comum, cuja tensão nominal é de 1,5 volts. O sinal da tensão no visor do multímetro dependerá do sentido de rotação do motor e de como seus terminais foram ligados aos do medidor. Essa situação é ilustrada no vídeo disponível no link a seguir.

vídeo – multímetro indica o funcionamento de um motor como gerador (versão 2) http://www.youtube.com/watch?v=bk6pU2Dqa9A&feature=relmfu

A tensão um pouco mais elevada que é gerada aqui é suficiente para alimentar algum pequeno dispositivo de uso prático, tal como um relógio digital (figura 6). Essa possibilidade é ilustrada no vídeo disponível no link a seguir.

vídeo – relógio digital alimentado por motor funcionando como gerador  http://www.youtube.com/watch?v=mZ3b82nhObk

Figura 6 - Motor, usado como gerador de energia elétrica, faz funcionar um relógio digital.

(Foto produzida pelo autor)

Com base nessas demonstrações, o professor pode dialogar com os alunos sobre indução eletromagnética, geração de energia elétrica e aplicações práticas desses princípios e processos tecnológicos. É altamente recomendável estimular os alunos a levantar questões correlatas sobre quais gostariam de ter mais informações, a partir de suas vivências cotidianas.

Essa abordagem empírica constitui um ótimo ponto de partida para uma discussão conceitual enriquecedora sobre a noção de complementaridade que caracteriza a inter-relação das diversas manifestações físicas da energia. O professor pode construir uma síntese dialogada das atividades realizadas nessas três aulas disponíveis no Portal, que compõem uma sequência: 1) Compreendendo possibilidades de uso de energia em pequenas quantidades; 2) O problema da utilização prática da energia: possibilidade de armazenamento; 3) Associação de acumuladores e inter-relação das formas de energia (esta aula). De início, foram experimentadas situações conceitualmente curiosas, mas sem possibilidade alguma de aplicação prática, tais como o giro do molinete de papel e o acendimento de um led com uma régua atritada ou com pilhas de limão (ou batata). Posteriormente, observou-se como a energia fornecida por uma associação de pilhas de limão (ou batata) pode ser usada para acionar um led ou um relógio digital, ou armazenada em dispositivos acumuladores (capacitores) e usada para alimentar um pequeno motor elétrico. Por fim, verificou-se que esse motor pode funcionar como gerador, conforme indicado pelo multímetro e por meio do acionamento de um relógio digital.

Do ponto de vista conceitual, essas situações exemplificam a inter-relação entre energia potencial química (uma forma de energia potencial elétrica), energia luminosa (energia radiante), energia mecânica (presente na rotação do motor) e energia eletromagnética (presente no processo de geração elétrica pelo motor). Também as formas térmica e sonora da energia estariam presentes em situações assim, uma vez que o motor tende a produzir ruído e a aquecer-se enquanto funciona. Tais situações ilustram também que dispositivos apropriados estabelecem a conexão entre uma e outra forma de energia, explorando diversas possibilidades tecnológicas descobertas e exploradas, no âmbito da ciência e da indústria, ao longo de décadas e mesmo séculos.

Por exemplo, o sistema de geração hidrelétrica que é majoritário em nosso país explora a conversão de energia mecânica (potencial gravitacional e cinética) em energia elétrica, com base em geradores que operam conforme o princípio de indução eletromagnética. Pilhas comerciais comuns armazenam energia potencial química numa forma conveniente para a operação de equipamentos portáteis, facilitando enormemente diversas atividades do nosso dia-a-dia. Para tanto, essas pilhas são construídas com base em reações químicas irreversíveis, tais como aquelas ilustradas nas pilhas de limão e batata.

Já as pilhas recarregáveis (baterias) utilizam reações químicas reversíveis, para propiciar um armazenamento de energia potencial química, a partir de energia (potencial) elétrica disponível em fontes tais como as tomadas elétricas (tensão alternada) residenciais ou as existentes em automóveis (tensão contínua). Um carregador apropriado faz a conexão entre a fonte e o tipo de bateria em uso. Essas baterias apresentam vantagens econômicas e ecológicas, uma vez que podem ser reutilizadas, em vez de destinadas ao lixo após o uso. Baterias de automóveis funcionam de modo análogo, acopladas ao um sistema que incorpora algumas adaptações tecnológicas necessárias.

Os exemplos são 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 próprios alunos sobre os princípios científicos e tecnológicos envolvidos.

Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:

- No processo de geração de energia pelo motor elétrico, cite alguns tipos de energia envolvidos.

Resposta esperada: energia potencial dos nossos músculos, energia cinética do volante ao girar, energia sonora, energia térmica, energia elétrica.

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

Resposta esperada: O que podemos afirmar é que a energia é uma grandeza física que se mantém constante. Em princípio, a energia do universo é a mesma desde seu surgimento.

Ao final das atividades, o professor pode comentar que a obtenção de energia e sua utilização são hoje motivo de intensa pesquisa e reflexão por parte dos cientistas, políticos e de vários segmentos da sociedade, em todo o mundo. Deve ser preocupação de todos que, cada vez mais, a energia seja obtida de modo a provocar pouca degradação ao meio ambiente e que a utilização 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 utilização de dispositivos que utilizam pilhas e baterias para seu funcionamento tem provocado um aumento sem precedentes no consumo desses itens, proporcionando maior agressão ao meio ambiente, tendo em vista que a destinação final da maioria delas é o lixo comum. Desse modo, as pesquisas buscando melhor eficiência destas pilhas e baterias tornaram-se imprescindíveis, uma vez que esse aumento de eficiência leva a uma diminuição da quantidade delas que é utilizada nos dispositivos. Embora seja uma lei da natureza que o valor total da energia no universo não se altere, há outra lei natural, relacionada à grandeza física entropia, que diz que determinados processos, ao serem realizados, não podem ser revertidos. Assim, a energia potencial elétrica que um litro de gasolina libera no motor de um automóvel e que é convertida em movimento, som e calor, não poderá mais se transformar na mesma quantidade de energia potencial elétrica, sendo impossível reverter o processo e obter novamente o litro de gasolina, a partir dos produtos gerados. Portanto, obtenção e utilização consciente e eficiente da energia deve ser objetivo de todos nós e nossas ações cotidianas são determinantes para que possamos atingi-lo.

- Para mais informações sobre carga e descarga de capacitores, consulte informações no link abaixo:

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

- Para informações sobre possibilidades de geração e uso de energia com baixo impacto ambiental, consulte informações no link abaixo:

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

- Para informações sobre experimentos de Física e acesso a projeto de geradores de energia e outros equipamentos de baixo custo, consulte informações no link abaixo:

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

Após a realização dessa aula sobre pilhas, o estudante deverá ser capaz de:

• Compreender que a utilização da energia gerada por pilhas de limão, armazenadas em capacitores, não é um método eficiente para movimentar um motor elétrico de 3V, por exemplo.
• Entender que há 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 deverão fazer uma montagem e armazenar energia no conjunto de capacitores (19,3 mF), usando o motor como gerador de energia, até obter uma ddp de 3 V entre os terminais. Daí, fazer um led piscar. Eles não poderão utilizar equipamentos elétricos para girar o volante do motor. Deverão fazê-lo de modo mecânico, usando linha puxada com a mão ou uma manivela acoplada ao volante. O professor pode dar pistas sobre a possibilidade de uso de uma manivela de pipa. Os alunos deverão 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 votação realizada entre eles.