FICHA PARA CATÁLOGO PRODUÇÃO DIDÁTICO PEDAGÓGICA PDE Utilização de uma bicicleta geradora de eletricidade para fins didáticos Eva Rosane Zulpo - PDF
FICHA PARA CATÁLOGO PRODUÇÃO DIDÁTICO PEDAGÓGICA PDE Utilização de uma bicicleta geradora de eletricidade para fins didáticos Eva Rosane Zulpo
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Olívia Aldeia Barbosa
2 FICHA PARA CATÁLOGO PRODUÇÃO DIDÁTICO PEDAGÓGICA PDE Título Autora Escola de Atuação Município da escola Núcleo Regional de Educação Orientador Instituição de Ensino Superior Disciplina/Área Produção Didático-pedagógica Relação Interdisciplinar Público Alvo Formato do material Resumo Palavras - chave Utilização de uma bicicleta geradora de eletricidade para fins didáticos Eva Rosane Zulpo Colégio Estadual Desembargador Antonio Franco Ferreira da Costa. Ensino Fundamental, Médio e Profissional Guaraniaçu Cascavel Dra. Célia Kimie Matsuda Universidade Estadual do Centro-Oeste (UNICENTRO) Física Unidade Didática Matemática, Biologia, Educação Física Alunos da 3º série do Ensino Médio Unidade Didática O estudo da geração de energia e suas transformações utilizando a experimentação justifica-se pelo fato de aperfeiçoar a compreensão por parte dos alunos no funcionamento de geradores de energia das leis e conceitos que regem o funcionamento de um gerador. Para isso será utilizada uma bicicleta geradora de energia e através do experimento analisar e quantificar os resultados obtidos. Geradores, transformações de energia, experimentação.
3 SEED Secretaria de Educação do Paraná UNICENTRO- Universidade Estadual do Centro-Oeste do Paraná Programa de Desenvolvimento Educacional PDE PRODUÇÃO DIDÁTICO-PEDAGÓGICA UNIDADE DIDÁTICA UTILIZAÇÃO DE UMA BICICLETA GERADORA DE ELETRICIDADE PARA FINS DIDÁTICOS Professora PDE : Eva Rosane Zulpo Orientador : Prof. Dr a Celia Kimie Matsuda Guarapuava 2012
4 1. IDENTIFICAÇÃO 1.1 Professora PDE/Guaraniaçu: Eva Rosane Zulpo 1.2 Área: Física 1.3 NRE: Cascavel - Pr 1.4 Professor Orientador IES/UNICENTRO: Prof a. Dra. Celia Kimie Matsuda 1.5 IES vinculada: Universidade Estadual do Centro-Oeste Guarapuava 1.6 Escola de Implementação: Colégio Estadual Desembargador Antônio Franco Ferreira da Costa Ensino Fundamental, Médio e Profissionalizante. 1.7 Público objeto da intervenção: Alunos da 3º série do Ensino Médio 1.8 Produção Didático-pedagógica: Unidade Didática 1.9 Título : Utilização de uma bicicleta geradora de eletricidade para fins didáticos Tema: Estudo da geração de energia e suas transformações utilizando a experimentação. 2) APRESENTAÇÃO Este trabalho no formato de Unidade Didática foi realizado pela professora PDE Eva Rosane Zulpo na disciplina de Física, tendo como objetivo a utilização de uma bicicleta geradora de energia elétrica para aperfeiçoar a compreensão do funcionamento de geradores de energia pelos alunos do 3º ano do Ensino Médio. Na expectativa de auxiliar os alunos no estudo da geração de energia, esta unidade didática propõe que o encaminhamento seja realizado por meio de um experimento (utilização da bicicleta geradora de eletricidade) aproveitando seus conhecimentos já adquiridos de outros sistemas (casa, trabalho, televisão, visitas a
5 usinas) para aprimorar sua percepção do fenômeno apresentado para se chegar ao teórico sistemático. Todos os tópicos produzidos nesta unidade estão voltadas para que os alunos sejam beneficiados por uma aula diferenciada, dinâmica de uma forma mesclada ( qualitativa e quantitativa), seguindo uma sequência lógica para atender ao estudo de geradores de energia e suas transformações. 3) Introdução O uso da energia elétrica para propiciar o funcionamento de eletrodomésticos, chuveiros ou para o simples ato de acender uma lâmpada para facilitar uma leitura é realizado de forma tão mecânica pelo usuário que ele simplesmente ignora o processo que leva a esse fim: centenas de quilômetros de extensão de condutores elétricos no interior dos quais a corrente passa de ponta a ponta dando origem ao um grande circuito. Se observar com atenção as tomadas de nossa casa, as mesmas estão ligadas a uma rede elétrica, que fica escondida entre o telhado e forro da casa. Essa rede está ligada aos fios que vêm de um poste onde existe uma caixa de distribuição. Nessa caixa há um relógio de luz, que serve para medir a energia consumida nessa residência. O relógio de luz é ligado aos fios da rua, e esses são ligados aos transformadores que estão localizados em postos estratégicos da rede. Os fios da rua provém de uma subestação rebaixadora de tensão, que está ligada por cabos de alta tensão a outra subestação, que está ao lado da usina geradora de energia elétrica, na qual a função é elevar a tensão gerada pela usina para ter menos perdas de energia elétrica ao ser transportada à longas distâncias. Assim, é possível perceber que quando um aparelho elétrico é ligado um circuito elétrico é fechado demandando quilômetros de fios e vários componentes elétricos. No Brasil, a energia elétrica que chega até os lares provém de grande usinas geradoras de energia, em sua maioria as hidrelétricas, que usa o represamento da água por meio de barragens proporcionando um desnível da água capaz de movimentar grandes turbinas. Essas turbinas estão ligadas aos geradores de eletricidade, onde a energia mecânica de rotação é transformada em energia elétrica que alimenta as subestações elevadoras de tensão.
6 Atividade 1 : A eletricidade no Brasil e a rede de transmissão local Através de pesquisa ou entrevista com profissionais da área consiga as seguintes informações: 1) Quando e onde foi instalada a primeira usina hidrelétrica no Paraná e no Brasil? E a primeira termoelétrica? 2) Onde e quando foi instalado o primeiro sistema de iluminação pública? 3) Que tipos de usina de produção de energia elétrica temos em nosso país? Qual a mais abundante? 4) Qual a tensão da fiação da rede elétrica da sua cidade? 5) Qual a localização da subestação elétrica de sua cidade? 6) Qual a tensão elétrica que chega e sai dessa subestação? 7) Qual usina elétrica que alimenta essa subestação e sua potência instalada? 4) Geradores e Alternadores Basicamente o gerador de uma grande usina é composto por uma carcaça metálica fixa, o estator, onde existem fios enrolados. No interior do estator há um conjunto de enrolamentos que estão presos ao eixo do gerador, o rotor, que gira acoplado a turbina fornecendo energia mecânica ao sistema. Nos enrolamentos do estator é obtida a energia elétrica. A figura mostra o gerador de uma usina:
7 Figura 1 Exemplo de turbina fonte: No alternador de automóvel, outro tipo de gerador de energia elétrica. A energia mecânica provém do motor e a transformação de energia mecânica em elétrica acontece através da movimentação do rotor do alternador, que cria um campo magnético induzindo a movimentação dos elétrons nas bobinas do estator que é fixa. Na construção da bicicleta geradora de energia elétrica, uma das partes é o alternador e a energia mecânica será proveniente do esforço muscular do ciclista. Figura 2 Exemplo de alternador fonte:
8 Atividade 2 : montagem da bicicleta geradora de energia Material: - 1 bateria comum 12V/45A; - 1 bicicleta comum ou 1 bicicleta ergométrica (facilita para medir a velocidade) - 1 correia; - 2 pedaços de madeira: um de 40cm x 25cm e outro de 50cm x 10cm; - 1 alternador; - Condutores: Para ligar o alternador a bateria e para ligar a bateria a carga (lâmpadas, cerca elétrica, caixa de força e etc.); - Porcas e parafusos; Desenvolvimento: a) Retire a roda dianteira da bicicleta e o pneu da roda traseira; b) Faça um furo em uma das extremidades do pedaço de madeira de 40cm e prenda longitudinalmente o garfo da bicicleta com as porcas e os parafusos. Para maior estabilidade, apoie o eixo dos pedais na madeira; c) Calce o suporte com o outro pedaço de madeira, o de 50cm, deixando-o logo abaixo do garfo traseiro e a uma distância suficiente para que a roda possa girar; d) Coloque a correia na roda traseira e na polia do alternador, permitindo que a velocidade do pneu seja igual a velocidade da polia; e) Com os condutores, ligue o alternador à bateria, e a bateria à carga; f) Ao girar a roda traseira, a correia aciona o alternador que carrega a bateria. Desconecte os condutores que ligam o alternador a bateria, para poder colocá-la em uso; Dica: Como seria impossível saber a variação da amplitude da tensão, pode-se ainda usar reguladores de tensão simples como Diodos Zener, ou reguladores de três terminais, que tem por finalidade manter a tensão produzida pelo alternador dentro dos limites exigidos pela bateria e/ou pela carga que será alimentada. Obs.: Quanto maior a capacidade de corrente da bateria, a "amperagem", maior vai ser o armazenamento de energia, e para armazenar mais energia, obviamente, é necessário pedalar por mais tempo. Veja o esquema onde tem-se a montagem da bicicleta para utilização em uma área rural :
9 Figura 3 montagem da bicicleta geradora de eletricidade fonte:
10 Para se compreender o funcionamento da produção da corrente elétrica em uma usina ou em um alternador de automóvel faz-se necessário do conhecimento de uma das leis fundamentais do eletromagnetismo, a lei de Faraday, e com ela será possível entender melhor o funcionamento de um gerador. 5) Lei de Faraday Uma experiência realizada por Oersted em 1820 revelou a possibilidade de se obter um campo magnético a partir da corrente elétrica. Em 1831, Michael Faraday descobriu o recíproco, um campo magnético pode induzir um campo elétrico, fenômeno denominado indução eletromagnética. Para comprovar sua hipótese montou o seguinte experimento: enrolou duas espiras de fio em um anel de ferro, ligando uma delas numa bateria e a outra num galvanômetro (aparelho que detecta corrente elétrica). Verificou, assim, que ao ligar e desligar a bateria, o galvanômetro acusava uma corrente instantânea, apesar das espiras estarem mutualmente desconectadas. Concluiu que esse efeito tratava-se de uma corrente induzida pelo campo magnético da espira ligada à bateria. A figura abaixo mostra o esquema da experiência: Figura 4 Resumindo a Lei de Faraday teremos: Sempre que ocorrer uma variação do fluxo magnético através de um circuito, aparecerá nesse circuito, uma força eletromotriz (f.e.m) induzida. O valor da f.e.m. é dada por: ε = Ø t
11 em que Ø é a variação do fluxo magnético em um intervalo de tempo t. O gerador de corrente alternada é uma das aplicações da indução eletromagnética. Por meio desse dispositivo, como já mencionado, consegue-se converter energia mecânica em energia elétrica. Um gerador de corrente alternada é constituído basicamente de uma espira (ou um conjunto de espiras) girando numa região onde existe um campo magnético. Enquanto a espira gira, pode-se perceber que há uma variação do fluxo magnético através dela. Isto ocorre porque a inclinação da espira, em relação ao campo magnético, está variando continuamente. Então uma força eletromotriz é induzida na espira, gerando uma corrente que será indicada pelo amperímetro. 6) Transformadores São equipamentos capazes de alterar os valores da tensão de circuitos elétricos com tensão e correntes alternadas, como já destacamos anteriormente usado principalmente em redes elétricas. Segundo Máximo, Alvarenga (2011,p.288) o transformador funciona da seguinte forma: Quando uma voltagem constante V 1, é aplicada ao primário de um transformador, o fluxo magnético através do secundário será também constante, não havendo, portanto, uma voltagem induzida nesta bobina. Quando a voltagem aplicada ao,primário é alternada, um fluxo magnético variável atravessa as espiras do secundário e uma voltagem induzida V 2 aparece nos extremos desta bobina. Figura 5 - Transformadores fonte:http:/www.geocites.ws/saladefisica7/ Os transformadores também estão presentes na maioria dos aparelhos elétricos
12 e eletrônicos tais como, por exemplo, computador, televisor, aparelho de som. Cabe-lhes aumentar ou abaixar a tensão da rede doméstica, de forma a alimentar convenientemente os vários circuitos elétricos que compõem os aparelhos. 7) Potência Segundo Pietrocola ( 2010 ) o conceito de potência, importante em aplicações teóricas e práticas, é definido como a razão entre o trabalho feito para realizar uma dada tarefa, pelo tempo gasto durante a sua realização. A unidade de potência no sistema internacional é o Watt. Em circuitos elétricos, o movimento das cargas elétricas pode ser utilizado para acionar um motor ou para aquecer o circuito. A potência elétrica é a taxa na qual energia elétrica é convertida em energia térmica ou outras formas de energia. A potência dissipada nos vários componentes do sistema é determinada pelo produto da corrente pela tensão, medidas em cada componente (P=Vi). O movimento dos elétrons dentro dos componentes de um circuito elétrico tem como consequência a conversão de energia elétrica em energia térmica, percebido pelo aumento de temperatura dos componentes. Atividade 3 : Cálculo da potência de um indivíduo ao pedalar uma bicicleta: Segundo Cardoso (2009) para calcularmos a potência de um indivíduo ao pedalar uma bicicleta devemos considerar a massa corporal m do mesmo, uma força F aplicada no pedal, logo teremos: F = m a (1.1) P = F V (1.2) V = ω r (1.3) Então obtêm-se: P = m a ω r (1.4) Onde: P = Potência m = Massa a = Aceleração ω = Velocidade angular r = Raio do pedal da bicicleta Se o individuo pedalar usando uma força equivalente a 60% do seu peso, com
13 uma velocidade angular w na pedaleira, verifica-se que a potência dispendida é de: 0.6 x m x g x w x r = P com base na Eq. 1.4 Por exemplo see considerar uma pessoa com massa de 75 Kg, uma bicicleta com raio do pedal 18 cm pedalando com velocidade angular de 3,14 rad/s, tem-se: 0.6 x 75 x 9.8 x 3.14 x 0.18 = W Para transformar em KW basta dividir o valor encontrado por ,4 : 1000 = 0,2494 KW Mantendo este ritmo, ao fim de 30 de minutos de exercício obtêm-se uma energia acumulada de 0, ,5 (meia hora) = 0,1247 KWh 8) Metodologia O projeto será desenvolvido através da execução das seguintes etapas: Leitura de livros didáticos de Física do Ensino Médio que tratam do assunto geradores de energia. Consulta em sites governamentais para pesquisa sobre a história da geração de eletricidade no Brasil e estado do Paraná. Palestra de profissionais sobre geração de energia e os caminhos da eletricidade até chegar em nossas residências. Montagem do aparato experimental ( bicicleta geradora de eletricidade ). Cálculo da potência de uma pessoa ao pedalar a bicicleta e explicação das leis que envolve o fenômeno observado. Avaliar o aluno escrita e oralmente sobre seus conhecimentos sobre geradores antes e após a realização do experimento.
14 9) Referências Bibliográficas DIRETRIZES CURRICULARES DE FÍSICA DO ESTADO DO PARANÁ. Governo do Estado do Paraná. Secretaria de Estado da Educação. Superintendência da Educação. GREF Grupo de Reelaboração do Ensino da Física. USP/Eletromagnetismo. São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Curso de Física, volume 3. São Paulo:Editora Scipione, PIETROCOLA, M. et al Coleção Física em Contextos, volume 3. São Paulo: Editora FTD,2010. ROCHA, J. et al Origens e Evoluções das Idéias da Física. Salvador: Editora da Universidade Federal da Bahia, Tipler,P; Mosca,G. Física, volume 2. Rio de Janeiro: Editora LTC, Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel)
Energia e suas transformações: uma discussão utilizando um experimento atrativo
XVII S IMPÓSIO N ACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA 1 Energia e suas transformações: uma discussão utilizando um experimento atrativo Adaliana Bastos dos Santos a,1 (mundico007@yahoo.com.br) Cristiene Chaves