Renata Domingues

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO DEPARTAMENTO DE FÍSICA COORDENAÇÃO DO CURSO DE LICENCIATURA EM FÍSICA A FÍSICA DAS FONTES ALTERNATIVAS DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA RENATA OLIVEIRA DOMINGUES RECIFE – DEZEMBRO – 2010 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO DEPARTAMENTO DE FÍSICA COORDENAÇÃO DO CURSO DE LICENCIATURA EM FÍSICA A FÍSICA DAS FONTES ALTERNATIVAS DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA RENATA OLIVEIRA DOMINGUES ORIENTADOR WICTOR CARLOS MAGNO Monografia submetida à coordenação do Curso de Licenciatura em Física da UFRPE, como requisito parcial para a obtenção do título de Licenciado em Física. RECIFE – DEZEMBRO – 2010 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus e em segundo lugar a minha família pelo apoio que me foi concedido durante toda minha vida, em especial na minha graduação. Agradeço também aos meus amigos do curso pelos momentos de estudo em grupo, o que tornou possível a conclusão de tal etapa. Aos professores do Departamento de Física da Universidade Federal Rural de Pernambuco pelos conhecimentos compartilhados nesses cinco anos de graduação. Aos coordenadores, professores e colegas bolsistas do PIBID que me ajudaram nos últimos três semestres do curso na elaboração de trabalhos e realização de atividades de ensino e pesquisa. Por fim agradeço ao meu orientador, professor Wictor Magno, que me ajudou em todas as etapas deste trabalho. Uma mente que se abre a uma nova idéia jamais voltará ao seu tamanho original! (Albert Einstein) RESUMO A produção de energia elétrica pode se dá por diferentes formas. Algumas das fontes renováveis de energia elétrica serão estudadas neste trabalho, tais como as fontes de energia hidroelétrica, eólica e solar. Os princípios físicos de funcionamento das diferentes fontes alternativas de geração de eletricidade serão abordados neste trabalho, que tem como finalidade a construção de um método de ensino de conteúdos de física relacionados com temas como tecnologia e situações práticas do cotidiano dos alunos do ensino médio. Alguns protótipos de sistemas de geração de energia elétrica por fontes não poluentes e renováveis foram montados com materiais de baixo custo e de fácil acesso para a realização de experimentos didáticos aplicados em escolas locais da cidade do Recife, envolvendo alunos do terceiro ano do ensino médio. Foram feitas sondagens sobre os conhecimentos prévios dos alunos, relacionados aos conteúdos didáticos de física abordados nos experimentos. Os resultados deste trabalho mostraram uma sensível diferença no nível de compreensão dos alunos em relação aos processos físicos envolvidos nas fontes geradoras de eletricidade, antes e depois da realização dos experimentos didáticos. Um questionário foi aplicado para sondar o entendimento por parte dos alunos dos conceitos físicos envolvidos após a execução das atividades práticas. Este trabalho tem como público alvo os professores do ensino médio, pois apresenta uma proposta de experimentação que poderá ser aplicada em sala de aula. ÍNDICE RESUMO.....................................................................................................................................5 LISTA DE FIGURAS..................................................................................................................7 1. INTRODUÇÃO.......................................................................................................................8 2. OBJETIVOS...........................................................................................................................10 3. METODOLOGIA...................................................................................................................10 4. FONTES ALTERNATIVAS DE PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA.......................11 5. PRINCÍPIOS FÍSICOS DA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA..................................18 6. RESULTADOS E DISCUSSÕES..........................................................................................24 7. CONCLUSÕES......................................................................................................................30 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................................31 ANEXO...................................................................................................................................................32 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Diagrama esquemático de uma usina hidroelétrica........................................................11 Figura 2. Partes de um gerador de uma usina hidroelétrica...........................................................13 Figura 3. Turbinas eólicas para geração de energia elétrica a partir da força do vento................14 Figura 4. Forças aerodinâmicas em uma turbina eólica................................................................14 Figura 5. Um ímã se aproxima de uma espira de corrente...........................................................19 Figura 6. Segundo experimento de Faraday sobre indução eletromagnética...............................19 Figura 7. Aparelho usado para observação do efeito fotoelétrico................................................21 Figura 8. Protótipo construído do modelo de hidroelétrica utilizado nos experimentos..............24 Figura 9. Protótipo de uma turbina eólica utilizada nos experimentos.........................................25 Figura 10. Célula solar fotovoltaica para geração de energia elétrica..........................................26 1. INTRODUÇÃO Ao longo de sua trajetória histórica no planeta, o homem sempre procurou fontes de produção de energia para suprir as suas necessidades básicas. Desde o início da civilização, descobrir e dominar as diferentes fontes de produção de energia não foi uma tarefa fácil. As diversas fontes de energia vêm se desenvolvendo de acordo com a necessidade da população. Hoje em dia já existem diversas formas de produção energética que estão de acordo com a necessidade e condições naturais de cada região. O estudo da evolução humana mostra que o desenvolvimento histórico do homem foi fruto de seu aprendizado cultural. O homem primitivo conhecia muito pouco sobre a natureza e não sabia tirar o devido proveito dela. Com o decorrer do tempo, ele aprendeu a construir abrigos, a caçar, e até cozinhar para comer. Com isso, seu consumo de energia foi aumentando [1]. A partir da revolução industrial e principalmente no século XX, o consumo de energia mundial aumentou de uma maneira descomunal, além de ter ocorrido uma diversificação nas fontes fornecedoras. Para se ter uma idéia da situação, de 1945 até os dias atuais houve um aumento no consumo mundial de aproximadamente quatro vezes. Porém esse aumento não ocorreu de forma uniforme para todas as sociedades. O uso da energia no mundo é marcado por profundas desigualdades. Os países mais ricos, aqueles que apresentam altos padrões tecnológicos e de vida, acabaram sendo os grandes consumidores. Tal situação faz com que muitos cientistas associassem o desenvolvimento dos países a um aumento indiscriminado da demanda por energia [2]. No Brasil, grande parte da energia que consumimos provém das usinas hidrelétricas, que utilizam a energia mecânica proveniente de quedas d’água e a transforma, através de um gerador, em energia elétrica. Porém já existem parques eólicos, que são aqueles que utilizam a energia do vento, no litoral do estado de São Paulo e no litoral de alguns estados do Nordeste, como por exemplo, no Rio Grande do Norte e na ilha de Fernando de Noronha, em Pernambuco. A energia solar também já está sendo utilizada em algumas regiões do país, principalmente no Nordeste, onde coletores solares captam a energia da radiação do sol e a transformam em energia térmica, além do que, com a utilização de células fotovoltaicas, torna-se possível a 8 obtenção de correntes elétricas devido ao efeito fotoelétrico, a ser estudado mais adiante. Todas as fontes energéticas citadas anteriormente são consideradas renováveis, ou seja, são naturalmente reabastecidas em tempo relativamente curto. Porém boa parte da sociedade utiliza também algum outro tipo de fonte não-renovável de energia, dentre elas podemos citar os combustíveis fósseis (carvão mineral, petróleo, gás natural) e alguns países possuem também usinas nucleares, inclusive o Brasil com as usinas de Angra I e II no estado do Rio de Janeiro. Em geral essas usinas utilizam processos de fissão nuclear para a geração de energia elétrica, a partir da produção de calor em um reator nuclear de água pressurizada. Nestas usinas termo-nucleares podemos verificar a existência de enormes riscos ambientais e ecológicos como a geração de rejeitos tóxicos (lixo nuclear) se as reações não forem bem controladas, além de poderem apresentar problemas de vazamento de radiações ou explosão, como ocorreu, por exemplo, na usina de Chernobyl na Ucrânia em 1986. Diante das inúmeras formas de produção de energia elétrica que temos hoje em dia, com o desenvolvimento de painéis solares, células de combustível (hidrogênio), imensos parques eólicos, usinas nucleares, dentre outras fontes de energia, vamos abordar os princípios físicos que explicam alguns dos processos de geração de eletricidade. Algumas formas de geração de energia elétrica, bem como suas diferentes eficácias serão abordadas nesse trabalho, que também tem como objetivo apresentar uma melhor proposta de ensino ser realizada por professores do ensino médio abordando alguns conteúdos de física relacionados ao tema da geração de energia elétrica. Realizamos neste trabalho alguns experimentos didáticos com a utilização de pequenos protótipos de geradores elétricos para explorar as formas de produção de energia hidráulica, solar e eólica. 9 2. OBJETIVOS 2.1. GERAL  Estudar os princípios físicos fundamentais das fontes de geração de energia elétrica disponíveis no momento. 2.2. ESPECÍFICOS  Sondar o nível de conhecimento de turmas de alunos do terceiro ano do ensino médio de escolas públicas sobre as diferentes fontes de geração de energia elétrica;  Montar alguns protótipos de geradores de energia elétrica utilizando diferentes princípios físicos;  Realizar experimentos didáticos em escolas públicas para demonstração dos princípios físicos fundamentais envolvidos nos diferentes mecanismos de produção e distribuição de energia elétrica;  Identificar possíveis inserções da física na experiência diária dos alunos no trabalho de pesquisa. 3. METODOLOGIA Para realização desta monografia seguimos os seguintes procedimentos:  Revisão de literatura através de pesquisas na internet, em fontes bibliográficas como livros e artigos de divulgação e em periódicos especializados;  Elaboração de um questionário de sondagem do conhecimento prévio de alunos do terceiro ano do ensino médio de escolas públicas;  Encontros periódicos com o professor orientador para discutir o andamento do trabalho de pesquisa;  Montagem e execução dos experimentos didáticos nas escolas envolvidas;  Aplicação do questionário de avaliação após a realização dos experimentos;  Análise dos resultados obtidos;  Escrita da monografia. 10 4. FONTES ALTERNATIVAS DE PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 4.1. ENERGIA HIDRO-ELÉTRICA A transformação da energia mecânica da queda d’água em energia elétrica é o que chamamos de energia hidroelétrica. Essa forma de geração de produção de energia acontece desde a antiguidade com os gregos, quando eram utilizadas rodas d’água nos engenhos para produção de farinha e açúcar. Porém, devido aos desníveis dos rios em diferentes épocas do ano, o fluxo de água que passa por esse sistema de roda d’água não é constante e pode atingir baixa vazão, prejudicando o fornecimento da energia elétrica no local. Com isso, houve a necessidade de construção de barragens, que são grandes reservatórios de água, para garantir que haja sempre água suficiente para a transformação/conversão da energia. A Figura 1 mostra os principais estágios envolvidos na geração da energia hidroelétrica. Um volume de água contido no reservatório cai de uma grande altura, sendo conduzido sob pressão até a turbina. A energia potencial armazenada do volume de água é convertida em energia cinética para a água e em seguida em energia cinética decorrente da rotação da turbina. Um gerador elétrico é conectado à turbina para transformar a energia mecânica das pás em rotação em energia elétrica. As lâminas da turbina giram e movimentam uma série de ímãs dentro do gerador, produzem correntes elétricas alternadas induzidas [3]. Figura 1. Diagrama esquemático de uma usina hidroelétrica. Fonte: Ref. [3]. 11 Após passar pela turbina, a água do reservatório volta para o rio. Apesar de ser uma fonte de energia renovável, a construção de usinas hidrelétricas pode causar enormes impactos ambientais. Dentre esses impactos podemos citar as inundações causadas na construção dos reservatórios, afetando fauna e flora locais. Com relação à fauna, quem mais se prejudica são os animais aquáticos. As barragens impedem a desova de algumas espécies de peixes que normalmente sobem o leito do rio no sentido contrário da correnteza. Outro impacto está relacionado a mudanças climáticas na região onde são construídas essas usinas, pois as antigas florestas viraram lagos. Isso pode aumentar a temperatura ambiente e mudar o ciclo das chuvas no local. A quantidade de eletricidade gerada pode ser determinada por vários fatores. Dois destes fatores são o fluxo de água e a quantidade de “cabeças” hidráulicas. A “cabeça” é definida como sendo a distância entre a superfície da água represada e o nível das turbinas. O aumento da cabeça hidráulica e do fluxo de água contribui com a geração de mais eletricidade [4]. As usinas hidroelétricas são responsáveis por aproximadamente 95% da energia elétrica produzida no Brasil atualmente e por 18% da energia produzida no mundo. Essa grande diferença se deve ao fato de o Brasil possuir grande potencial hidráulico devido as suas condições naturais, diferentemente de outros países que precisam utilizar outras formas para obtenção de energia [4]. A maior hidroelétrica do mundo em termos de produção está situada no Rio Paraná, fronteira entre Brasil e Paraguai: a usina de Itaipu. Sua produção diária chega a aproximadamente 14.000 MW (megawatts), sendo responsável por cerca de 20% do fornecimento da energia elétrica total consumida no Brasil. Nestas usinas, a energia mecânica gerada é transformada em hidroeletricidade por um gerador de corrente elétrica. A transformação de energia mecânica em energia elétrica baseia-se na descoberta do princípio físico da indução eletromagnética por Michael Faraday e Joseph Henry, em que um fluxo magnético variando no tempo pode dar origem a uma corrente elétrica induzida em um circuito [5-6]. Este princípio físico será estudado em detalhe posteriormente no capítulo 5. A Figura 2 demonstra o interior de um gerador de uma usina hidroelétrica, no qual é empregado um grande ímã permanente e um conjunto de bobinas enroladas no 12 núcleo giratório, chamado estator. Ao girar dentro do campo magnético constante, estas espiras geram força eletromotriz induzida e conseqüentemente, produzem uma corrente elétrica alternada. A freqüência de giro e o número de bobinas dentro dos estator determinam a freqüência da corrente na rede elétrica [5]. Aqui no Brasil a freqüência da rede elétrica é f = 60 Hz, ou seja, 60 ciclos por segundo. Figura 2. Partes de um gerador de uma usina hidroelétrica. Fonte: Ref. [3]. 4.2. ENERGIA EÓLICA Outra fonte alternativa de produção de energia elétrica é através de turbinas eólicas. A energia do vento é denominada energia eólica. Esse tipo de energia é utilizado desde a antiguidade para colocar em movimento barcos à vela e fazer funcionar moinhos de vento utilizados para moer grãos de milho e de trigo. Os primeiros dispositivos consistiam em uma ou mais vigas de madeira montadas verticalmente, e em cuja base havia uma pedra de rebolo fixada ao eixo rotativo que girava com o vento. O conceito de se usar a energia do vento para moer grãos se espalhou rapidamente ao longo do Oriente Médio e foi largamente utilizado antes que o primeiro moinho de vento aparecesse na Europa. A Figura 3 mostra um conjunto de turbinas eólicas que são empregadas em um parque de produção de energia eólica [7]. 13 Figura 3. Turbinas eólicas para geração de energia elétrica a partir da força do vento. Fonte: Ref. [7]. Hoje em dia, os cata-ventos que captam a energia eólica são formados por hélices na parte superior de altas torres. Dentro desses cata-ventos existe um gerador, onde ocorre o processo de transformação de energia mecânica (cinética do vento e logo após cinética das hélices) em energia elétrica. As hélices mais modernas são bem parecidas com as asas de um avião e utilizam princípios aerodinâmicos para capturar a energia do vento de maneira mais eficiente. A Figura 4 mostra uma turbina eólica e as forças aerodinâmicas principais que estão presentes na geração de energia eólica: o empuxo (que atua perpendicularmente ao fluxo do vento) e o arrasto (que atua paralelamente ao fluxo do vento) [7]. Figura 4. Forças aerodinâmicas em uma turbina eólica. Fonte: Ref. [7]. 14 Quando o vento se desloca sobre uma face arredondada e a favor da pá, ele precisa se mover mais rápido para atingir a outra extremidade da pá a tempo de encontrar o vento que se desloca ao longo da face plana e contra a pá (voltada na direção de onde sopra o vento). Como o ar que se move mais rápido tende a se elevar na atmosfera, a superfície curvada e contra o vento gera um bolsão de baixa pressão acima dela. A área de baixa pressão puxa a pá na direção a favor do vento, um efeito conhecido como "empuxo". Na direção contra o vento da pá, o vento se move mais devagar e cria uma área de pressão mais elevada que empurra a pá, tentando diminuir sua velocidade. Como no desenho de uma asa de avião, uma alta relação de empuxo/arrasto é essencial no projeto de uma pá de turbina eficiente. As pás da turbina são torcidas, de modo que elas possam sempre apresentar um ângulo que tire vantagem da relação ideal da força de empuxo/arrasto. A eficiência dos cata-ventos varia de acordo com muitos fatores. Quanto maior o tamanho das pás da turbina e da altura da torre maior a capacidade de produção. A velocidade e constância na intensidade e direção do vento também influenciam. Não é necessária uma grande velocidade do vento para a geração da energia elétrica. É necessário, no entanto, que o vento seja constante. Observa-se que na maioria das turbinas eólicas em funcionamento a máxima potência se dá em ventos com velocidades de aproximadamente 15 m/s, ou seja, em torno de 54 km/h. No litoral brasileiro a velocidade média dos ventos é de aproximadamente 20 km/h. Com a energia cinética do vento as hélices entram em movimento, funcionando como a turbina das usinas hidroelétricas e assim acionam um gerador de eletricidade. Nesse processo há a obtenção de energia elétrica, através da energia mecânica das pás da turbina. O processo que acontece no gerador eólico é idêntico ao de uma usina hidroelétrica e segue a Lei da indução de Faraday, a ser discutida posteriormente. No Brasil, em algumas regiões litorâneas já se faz uso da energia eólica, em especial no Nordeste do país. A maior usina eólica do mundo está situada no Havaí, onde as hélices possuem 50 metros de comprimento. Na Califórnia encontra-se um parque eólico com 300 turbinas e fornecem energia para a cidade de Los Angeles. Assim como acontece nas hidroelétricas, os parques eólicos também possuem vantagens e desvantagens. A principal vantagem está associada ao fato de ser uma fonte de energia limpa e renovável, pois não emite nenhum tipo de gás poluente para a 15 atmosfera do nosso planeta. Porém os lugares mais apropriados para instalação dos cataventos coincidem com as rotas das aves migratórias e as turbinas eólicas também fazem muito barulho ocasionando poluição sonora. 4.3. ENERGIA SOLAR Outra fonte alternativa de geração de energia elétrica é através da energia solar. O sol é a principal origem das fontes de energias utilizadas pelo homem. Todos os dias, o sol fornece bilhões de calorias para o nosso planeta em forma de radiação. Porém não aproveitamos toda essa energia. Cerca de 60% dessa radiação é refletida pela atmosfera, 11% é refletida pelo solo e o restante é utilizado para aquecer a água dos rios, mares e na fotossíntese das plantas, dentre outros [1]. Toda essa energia provém do sol através de um processo chamado de fusão nuclear em que átomos de hidrogênio são fundidos para formar átomos de hélio e outros elementos químicos mais pesados. Neste processo de fusão nuclear, em decorrência das altas pressões e das altas temperaturas do sol, formam-se núcleos de átomos de hélio. Porém, como o peso atômico do hélio é menor do que o peso atômico dos núcleos de hidrogênio que se fundiram então essa massa perdida é transformada em energia que é emitida para o espaço sob a forma de radiação. De acordo com Einstein, essa energia é diretamente proporcional a massa do núcleo perdida no processo de fusão nuclear de acordo com a seguinte equação [8-9]: E  m  c2 (1) onde c = 3.108 m/s (aproximadamente) é a velocidade da luz no vácuo. A energia proveniente do sol é utilizada há muitos séculos. Historiadores afirmam que no século VII antes de Cristo o homem já utilizava pequenas lentes de vidro para concentrar a luz do sol em um único ponto e assim conseguir queimar madeira e obter fogo. Hoje em dia são utilizadas células fotovoltaicas feitas de silício, além de coletores solares que convertem energia solar em energia térmica. Em 1839, o físico francês Antoine Henri Becquerel observou o efeito fotovoltaico, ou seja, ele percebeu que quando expostos a luz solar, eletrodos de platina 16 ou de prata exibiam uma diferença de potencial em seus extremos. Essa diferença de potencial é o que causa o aparecimento de uma corrente elétrica. A partir daí, com o avanço da tecnologia, foram criadas modernas células fotovoltaicas que utilizam materiais semicondutores, como o silício, e, através do efeito fotoelétrico, tem-se a produção de energia elétrica. A energia proveniente da radiação solar também é utilizada com freqüência no sistema de aquecimento de água. Em 1890, na Califórnia, um grande número de residências já utilizava este sistema de aquecimento, pois o gás artificial e a energia elétrica fornecidas naquela época eram muito caros. A transformação de energia solar em energia térmica se dá com o uso de aquecedores solares. Esses aquecedores solares captam diretamente a energia da radiação do sol, transformando-a em energia térmica. Essa modalidade de energia pode ser usada na secagem de grãos e frutas e no aquecimento de água. Em tais coletores, a energia solar incidente sobre uma placa metálica, provocando seu aquecimento. A função dos coletores é armazenar essa energia para seu posterior uso. Para ser transmitido o calor armazenado, são usados materiais maleáveis como um líquido ou um gás. Alguns países se destacam na utilização de coletores solares para aproveitamento da energia do sol. Entre eles estão os Estados Unidos, o Japão, a Alemanha e Israel, onde, neste último, cerca de 70% das residências possuem coletores solares. Existe ainda outro método para obtenção de energia elétrica através da radiação solar. Utilizando vários refletores côncavos, que possuem uma forma parabólica, os raios solares convergem para a torre receptora, onde se encontra um reservatório contendo uma solução salina. Essa solução é então aquecida até produzir vapor que moverá uma turbina e por sua vez moverá o gerador e assim, da mesma forma que acontece nas usinas hidroelétricas e nos parques eólicos, pela lei da indução de Faraday, uma corrente elétrica é induzida no gerador e assim obtemos energia elétrica. Apesar de suas diversas formas de utilização, a energia solar não é muito utilizada no Brasil. Isso se deve ao fato de a fabricação e instalação dos coletores solares terem um custo muito alto além da grande dificuldade de armazenamento da energia. 17 Outro fator é o baixo rendimento em dias nublados e nas noites em que não se tem produção significativa de energia elétrica. Para explicarmos o princípio de funcionamento das células fotovoltaicas é necessário entendermos o principio físico de funcionamento do efeito fotoelétrico para a obtenção da energia elétrica. No capítulo a seguir faremos uma breve revisão da lei da indução de Faraday e do efeito fotoelétrico, a fim de entender melhor o funcionamento dos diferentes dispositivos empregados na geração de energia elétrica. 5. PRINCÍPIOS FÍSICOS DA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 5.1. LEI DA INDUÇÃO DE FARADAY No século XIX, o físico inglês Michael Faraday explicou o fenômeno de indução eletromagnética, conhecido hoje como Lei da Indução de Faraday. Os estudos feitos por Faraday partiram de dois experimentos que demonstrava o aparecimento de uma corrente elétrica a partir da variação temporal de um campo magnético. O primeiro experimento de Faraday utilizou uma espira ligada a um amperímetro onde não há inicialmente corrente circulando no circuito. Quando aproximamos um ímã da espira, o amperímetro indica o aparecimento de uma corrente elétrica induzida. Porém quando o ímã fica parado em relação à espira, o amperímetro não mede nenhuma corrente no circuito. Quando o ímã está agora se afastando da espira, aparece novamente uma corrente no circuito, porém o amperímetro indica que a corrente está circulando no sentido contrário ao do caso anterior. Com isso pode-se perceber algumas características deste primeiro experimento. A primeira é que só há corrente circulando no circuito se tiver movimento relativo entre o ímã e a espira. A segunda observação é que, quanto maior a velocidade relativa entre o ímã e a espira, maior será a intensidade da corrente elétrica induzida. A última mostra que tanto o sentido do movimento do ímã em relação à espira (aproximação ou afastamento) quanto o pólo do ímã influenciam no sentido da corrente que aparece induzida no circuito. A corrente produzida na espira é chamada de corrente induzida. O trabalho realizado por unidade de carga para produzir essa corrente (para mover os elétrons de 18 condução que constituem a corrente) é chamado de força eletromotriz (fem) induzida; o processo de produção da corrente e da fem é chamado de indução [10]. A Figura 5 mostra como foi montado o primeiro experimento de Faraday para observação da lei da indução. Figura 5 – Um ímã se aproxima de uma espira de corrente. Fonte: Ref. [10]. O segundo experimento de Faraday utilizou duas espiras condutoras bem próximas uma da outra. Uma das espiras (espira 1) estava ligada a uma bateria num circuito que continha uma chave S, já a outra espira (espira 2) estava ligada somente ao amperímetro. Quando a chave foi fechada, a corrente começou a circular na espira 1 e o amperímetro marcou repentinamente uma corrente na espira 2. Quando a chave foi aberta, o amperímetro indicou mais uma vez o aparecimento de uma corrente na espira 2, porém no sentido contrário ao da primeira corrente. A Figura 6 mostra como foi montado o segundo experimento de Faraday. Figura 6 - Segundo experimento de Faraday sobre indução eletromagnética. Fonte: Ref. [6]. Com os resultados do segundo experimento Faraday percebeu que a corrente que aparece na espira 2 surgiu apenas nos instantes em que a chave foi ligada ou desligada, ou seja, durante os transientes. Nos outros instantes nenhuma corrente aparecia na espira 19 2, mesmo que houvesse uma corrente estacionária ou contínua (DC) na espira 1. Com isso ele concluiu que a corrente induzida na segunda espira surgiu devido à variação do campo magnético da primeira espira. Para Faraday, quando o número de linhas de campo magnético que atravessam uma determinada espira estiver variando no tempo, isto dará origem a uma fem induzida. O número exato de linhas de campo magnético que atravessam a espira não é relevante para o experimento, ou seja, não importa o valor do fluxo magnético resultante. Os valores da fem e da corrente induzida ficam determinados pela taxa de variação com que esse fluxo magnético varia no tempo [10]. Para fazer um tratamento quantitativo da lei da indução de Faraday devemos definir o conceito do fluxo magnético. Se uma espira de área A se encontra em uma região onde está presente um campo magnético de intensidade B então o fluxo magnético através da espira é definido como:    B   B  dA (2) Se considerarmos que o campo magnético é espacialmente uniforme e perpendicular ao plano que contém a espira, a integral se reduz ao caso simples: B  B  A (3) Com a definição do fluxo magnético, podemos saber quantitativamente o valor da fem induzida na espira, já que ela é igual à taxa que o fluxo magnético através da espira varia com o tempo. De acordo com a lei de Lenz [11], a fem induzida deve oporse a variação do fluxo magnético, e por esse motivo temos um sinal negativo na equação que descreve a lei de Faraday:  ind  d B dt (4) Todas essas considerações foram feitas para somente uma espira. Se utilizarmos uma bobina com N voltas, a fem induzida total será o somatório de cada uma das tensões induzidas. Então teremos a versão final da lei da indução de Faraday:  ind  N  d B dt (5) 20 5.2. EFEITO FOTOELÉTRICO Ao fim do século XIX, o físico alemão Heinrich Hertz realizava experiências que demonstraram a existência das ondas eletromagnéticas quando notou um efeito que mais tarde foi chamado por Einstein de efeito fotoelétrico. Hertz percebeu em suas experiências que algumas superfícies metálicas quando expostas a incidência da luz ultravioleta emitiam elétrons de sua superfície. O experimento é demonstrado na Figura 7 abaixo. Um tubo de vidro evacuado e hermeticamente fechado contém uma placa metálica E (emissor) conectada ao terminal negativo de uma bateria. Outra placa metálica C (coletor) é mantida em um potencial positivo pela bateria. Quando o tubo é mantido no escuro, a leitura do amperímetro é nula, indicando que nenhuma corrente está fluindo no circuito. Contudo, quando um feixe de luz de comprimento de onda apropriado incide sobre a placa E, uma corrente elétrica é detectada pelo amperímetro, indicando um fluxo de carga através do espaço entre E e C. Essa corrente surge dos elétrons emitidos pela placa negativa E e são coletados na placa positiva C [10-11]. Figura 7 - Aparelho usado para observação do efeito fotoelétrico no experimento de Hertz. Fonte: Ref. [11]. Os resultados obtidos nos experimentos de Hertz mostraram que a intensidade luminosa era diretamente proporcional a corrente, ou seja, quanto maior for a intensidade da luz incidente, mais elétrons se desprenderão da placa metálica. Logo, para grandes valores de diferença de potencial obtemos um valor limite de corrente. Quando foi invertida a polaridade da bateria, o emissor E tornou-se positivo e o coletor C tornou-se negativo; então os elétrons que possuíam uma energia cinética inferior a 21 U = e.ΔV (onde e é a carga do elétron e ΔV é a diferença de potencial) foram repelidos pela placa coletora. Porém, se a magnitude da diferença de potencial for muito grande, ela recebe um nome específico (potencial de corte). Esse potencial de corte acontece quando a corrente elétrica torna-se nula, Então, pelo princípio da conservação de energia, obtemos o seguinte resultado para a energia cinética máxima do fotoelétron ejetado: K máx  e  V (6) A teoria ondulatória clássica daquela época previa alguns resultados para o efeito fotoelétrico que não foram confirmados com a experiência, são eles: a) A energia cinética dos elétrons ejetados deveria aumentar com o aumento da intensidade luminosa, porém foi observado que a energia era mantida constante, independente da intensidade do feixe luminoso; b) O elétron deveria ser ejetado para qualquer freqüência de luz se a intensidade do feixe luminoso fosse intensa o suficiente, porém foi observado que para cada material que a luz incidia, existia uma freqüência mínima para ocorrer o efeito fotoelétrico. Essa freqüência é a chamada freqüência de corte; c) Se a intensidade do feixe luminoso é muito fraca, existe um tempo de retardamento para ocorrer o efeito fotoelétrico, ou seja, o elétron iria absorvendo energia até acumular a energia suficiente para escapar do metal. Porém não foi observado nenhum retardamento significativo. d) Não existia relação entre a energia cinética dos elétrons ejetados e a freqüência da luz incidente, porém foi observado que quanto maior a freqüência da luz, maior é a velocidade que os elétrons se desprendem do metal. Em 1905 Albert Einstein propôs uma teoria quântica para o efeito fotoelétrico. Ele propôs que a energia radiante está quantizada em pacotes concentrados, que mais tarde vieram a ser chamados de fótons. Einstein não concentrou sua atenção na forma ondulatória familiar com que a luz se propaga, mas sim na sua maneira corpuscular com que ela é emitida e absorvida [9]. Tal quantização suposta por Einstein relaciona a energia de um fóton com a freqüência  da luz através da equação: 22 E  h  (7) Existe uma energia mínima do fóton incidente para que ocorra o efeito fotoelétrico. Essa energia deve ser maior do que Wo, chamada de função trabalho e se refere à energia mínima necessária para um elétron escapar às forças atrativas que ligam o elétron ao metal. A energia cinética máxima do fotoelétron ejetado será igual à diferença de energia do fóton incidente e a função trabalho: K máx  h   W0 (8) A teoria quântica de Einstein para o efeito fotoelétrico reparava todas as objeções que o modelo ondulatório clássico da luz apresentada e discordava com as observações experimentais. 23 6. RESULTADOS E DISCUSSÕES 6.1. PARTE EXPERIMENTAL Montamos alguns protótipos de geradores de energia elétrica durante os experimentos realizados nas escolas. Primeiramente utilizamos o protótipo de uma usina hidroelétrica, visível na Figura 8. Uma pequena turbina giratória foi acoplada a duas mangueiras de água, uma na entrada para trazer o fluxo de água de uma torneira até o interior da turbina e outra mangueira para retirar o volume de água da turbina. A turbina entra em rotação a partir de um determinado fluxo de água que passa em seu interior. A turbina é então acoplada a um pequeno motor DC que no experimento funciona como um gerador elétrico, fazendo sua função inversa de motor. A energia cinética proveniente da rotação da turbina é convertida, no gerador, em energia elétrica através da lei da indução de Faraday, como já foi explicado anteriormente. O pequeno gerador elétrico gira então solidário à turbina em rotação, fazendo acender um LED (diodo emissor de luz) vermelho de alto brilho. Este LED vermelho normalmente acende quando polarizado diretamente com uma tensão de limiar da ordem de 1,5 Volts. Figura 8 – Protótipo construído da hidroelétrica utilizada nos experimentos. 24 O segundo protótipo construído foi uma pequena turbina eólica, visível na Figura 9. Para simular a turbina eólica utilizamos as hélices de um ventilador acopladas a um motor elétrico de 12 VDC para funcionar como um gerador elétrico. Aproximando nossa turbina eólica de um ventilador ligado, simulando as correntes de vento chegando na turbina, observamos a movimentação das hélices da turbina, que mais uma vez, pela lei da indução de Faraday converte a energia cinética proveniente da movimentação das pás do ventilador em energia elétrica, no gerador. Novamente verificamos com um multímetro o aparecimento de uma tensão induzida e a passagem de uma corrente elétrica fazendo o LED acender. O gerador que contém ímãs em seu interior, quando entra em rotação, induz uma corrente elétrica que será utilizada para fornecer energia elétrica para um circuito. Figura 9 – Protótipo de uma turbina eólica utilizada nos experimentos. O outro protótipo estudado neste trabalho para a geração de eletricidade foi o gerador de energia solar. Utilizamos uma célula solar fotovoltaica de silício que segue o princípio do efeito fotoelétrico discutido anteriormente. Se colocarmos a célula sob a incidência da radiação solar, ocorre a liberação de elétrons na superfície da célula, causando o aparecimento de uma corrente elétrica. Essa corrente passa pelo circuito 25 elétrico e poderá acender o LED utilizado para demonstração. A Figura 10 mostra a célula solar utilizada nos estudos. Não mostraremos resultados sobre a fonte de energia solar, pois não houve tempo suficiente para a realização de experimentos nas escolas. Figura 10 - Célula solar fotovoltaica para geração de energia elétrica. Nos circuitos montados durante os experimentos ligamos o LED aos diferentes geradores de energia elétrica. Em cada caso a intensidade da corrente elétrica gerada dependia de alguns fatores. No protótipo da usina hidroelétrica temos que levar em consideração o fluxo de água que passa através das turbinas para movimentá-las, ou seja, quanto maior a velocidade de rotação da turbina, maior será a corrente induzida no gerador. No protótipo da turbina eólica é relevante considerar a velocidade do vento que gira as hélices da turbina, ou seja, da mesma forma que no caso anterior, quanto maior a velocidade de rotação das hélices da turbina, maior será a corrente induzida. Já na célula fotovoltaica devemos considerar a intensidade do raio incidente. Quanto maior a intensidade luminosa incidente mais fotoelétrons serão ejetados do material e assim, maior será a corrente elétrica induzida. 26 6.2. ANÁLISE DOS DADOS Aplicamos um questionário, disponível na seção dos anexos deste trabalho, antes e depois da realização dos experimentos nas escolas, a fim de fazer um comparativo do entendimento dos alunos em relação às formas de produção de eletricidade. O questionário foi aplicado para 30 alunos do terceiro ano do Ensino médio incluindo uma escola pública estadual e uma escola privada da cidade do Recife. Obtivemos os resultados descritos nos gráficos a seguir. a) Antes da realização dos experimentos: 1. Gráfico 1: 2. Gráfico 2: 30% Entendiam o funcionamento de uma turbina eólica Não entendiam o funcionamento de uma turbina eólica 70% 3. Gráfico 3: 10% Sabiam o funcionamento de uma célula solar 90% Não sabam o funcionamento de uma célula solar 27 4. Gráfico 4: 14% Sabiam a finalidade das barragens numa hidrelétrica 86% Não sabiam a finalidade das barragens numa hidrelétrica 5. Gráfico 5: Acreditavam que era necessário fortes ventos para produção de eletricidade 24% 76% Sabiam que não era necessário fortes ventos para produção de eletricidade b) Após a realização dos experimentos: 1. Gráfico 6: 7%0% 93% Entendiam o funcionamento de uma hidrelétrica 2. Gráfico 7: 28 3. Gráfico 8: 4. Gráfico 9: 3% Sabiam a finalidade as barragens numa hidrelétrica 97% Não sabiam a finalidade as barragens numa hidrelétrica 5. Gráfico 10: 7% 93% Acreditavam que era necessário fortes ventos para produção de eletricidade Sabiam que não era necessário fortes ventos para produção de eletricidade Percebe-se que houve uma melhora no entendimento dos alunos em relação às diferentes formas como cada uma das fontes energéticas produz energia elétrica. A principal dificuldade dos alunos inicialmente era entender o funcionamento de uma célula fotovoltaica, porém com a explicação realizada no decorrer das atividades experimentais, a questão foi esclarecida para maior parte dos alunos, mesmo sem utilizar o experimento com a célula solar que ficou como uma proposta didática. No protótipo montado para a usina hidroelétrica verificamos que, para um grande fluxo de água circulando na turbina, geramos uma tensão elétrica razoável, dá ordem de 2,0 Volts. Com essa tensão não houve dificuldade em acender o LED vermelho, que se manteve aceso enquanto circulou um fluxo de água no interior da turbina, gerando uma tensão maior ou igual a 1,5 Volts, ou seja, a tensão mínima necessária para manter o LED vermelho aceso. 29 No protótipo construído para a turbina eólica, como o vento fornecido pelo ventilador tinha velocidade constante, o LED ficou sempre aceso. Quando o ventilador estava ligado no máximo de sua potência, conseguimos picos de tensão induzida no gerador que chegavam a 3,0 Volts; porém o valor médio da tensão induzida que conseguimos ficou por volta de 2,0 Volts. 7. CONCLUSÕES O trabalho desenvolvido para a escrita desta monografia, como a montagem de experimentos didáticos para explicar os princípios de funcionamento das diferentes formas de geração de energia elétrica mostrou-se bastante eficaz e foi muito bem aceito nas escolas envolvidas. O protótipo da usina hidroelétrica funcionou muito bem e chamou bastante atenção dos alunos. Muitos afirmaram não conhecerem antes dos experimentos como era produzida a energia elétrica consumida por eles em suas casas e nas escolas envolvidas. Os outros dois protótipos explorados, o da energia eólica e o da energia solar, também se destacaram entre os alunos por serem fontes alternativas e renováveis de geração de eletricidade. Muitos dos alunos avaliados reconheceram que não conheciam uma célula solar e ficaram curiosos em saber seu princípio de funcionamento. Podemos destacar com os resultados alcançados por este trabalho que pequenos experimentos didáticos e alguns trabalhos de pesquisa como esse que foi realizado podem facilitar bastante o aprendizado dos alunos, contribuindo para sua motivação e para despertar seu espírito investigativo, que são requisitos essenciais para uma boa aprendizagem dos conceitos da física. 30 8. REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS [1] - MONTANARI, Valdir. Energia Nossa de Cada Dia, Coleção Desafios. Editora Moderna, 1998. [2] - MORAES, Paulo Roberto; BISTRICHI, Carlos Alberto; CAMPANHA, Vilma Alves. Fontes de Energia, coleção Conhecendo a Terra, editora Harbra, 1999. [3] - http://ciencia.hsw.uol.com.br/usinas-hidreletricas1.htm. Acesso em 15 de dezembro de 2010. [4] - http://ciencia.hsw.uol.com.br/usinas-hidreletricas1.htm. Acesso em 15 de dezembro de 2010. [5] - CABRAL, Fernando; LAGO, Alexandre. Física 3. Editora Harbra, 2004. [6] - HALLIDAY, D., RESNICK, R. e WALKER, J., Volume 3, 6ª edição, Editora LTC, Rio de Janeiro, 2003. [7] - http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm. Acesso em 15 de dezembro de 2010. [8] - HALLIDAY, D., RESNICK, R. e WALKER, J., Volume 4, 6ª edição, Editora LTC, Rio de Janeiro, 2003. [9] - EISBERG, D., RESNICK, R. Física Quântica: átomos, moléculas, sólidos, núcleos e partículas, 22º edição, Editora Campos, Rio de Janeiro, 1998. [10] - TIPLER, P.A., Física, Vol. 2, 2ª edição, Editora Guanabara, 1990. [11] - SERWAY, Raymond A., JEWETT John W. Princípios de Física. Vol.4, Editora Thomson, São Paulo, 2004. 31 ANEXOS ANEXO 1: Questionário sobre Fontes de Geração de Energia Elétrica 1- Cite as formas de geração de energia elétrica que você conhece. 2- Explique como podemos aceder a luz em uma bicicleta em movimento com o uso de um dínamo. 3- Como funciona uma usina hidrelétrica? 4- Como funciona uma turbina eólica? 5- De que forma a energia solar pode ser convertida em energia elétrica? 6- Como a energia elétrica que sai de uma usina hidroelétrica chega a sua casa? 7- Qual a finalidade das barragens numa usina hidroelétrica? 8- É possível obter eletricidade numa usina eólica se o vento não for muito forte? Explique. 9- Você sabe explicar por que a energia elétrica que chega a nossas casas vem na forma alternada e por que a freqüência da rede elétrica é de 60 ciclos por segundo (60 Hertz)? 10- Existem outras fontes alternativas de geração de energia elétrica? Cite outros exemplos. ANEXO 2: Custos das fontes geradoras de eletricidade nos Estados Unidos da América (USA). 32 ANEXO 3: Potencial eólico implantado atualmente no Brasil 33