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FICHA PARA CATÁLOGO
PRODUÇÃO DIDÁTICO PEDAGÓGICA
PDE - 2012
Título Utilização de uma bicicleta geradora de eletricidade para fins didáticos
Autora Eva Rosane Zulpo
Escola de Atuação Colégio Estadual Desembargador Antonio Franco Ferreira da Costa. Ensino Fundamental, Médio e Profissional
Município da escola Guaraniaçu
Núcleo Regional de Educação Cascavel
Orientador Dra. Célia Kimie Matsuda
Instituição de Ensino Superior Universidade Estadual do Centro-Oeste (UNICENTRO)
Disciplina/Área Física
Produção Didático-pedagógica Unidade Didática
Relação Interdisciplinar Matemática, Biologia, Educação Física
Público Alvo Alunos da 3º série do Ensino Médio
Formato do material Unidade Didática
Resumo 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.
Palavras - chave Geradores, transformações de energia, experimentação.
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. Dra Celia Kimie Matsuda
Guarapuava
2012
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: Profa. 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.
1.7Público 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.
1.10 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
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.
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:
Figura 1 – Exemplo de turbina
fonte: http://energiarenovavel.wordpress.com
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: http:/www.oficinaecia.com.br
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 :
Figura 3 – montagem da bicicleta geradora de eletricidade
fonte: www.globorural.com.br
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
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 V1, 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 V2 aparece nos extremos desta bobina.
Figura 5 - Transformadores
fonte:http:/www.geocites.ws/saladefisica7/
Os transformadores também estão presentes na maioria dos aparelhos elétricos
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
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 = 249.4 W
Para transformar em KW basta dividir o valor encontrado por 1000
249,4 : 1000 = 0,2494 KW
Mantendo este ritmo, ao fim de 30 de minutos de exercício obtêm-se uma energia
acumulada de 0,2494 . 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.
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, 2006.
MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Curso de Física, volume 3. São Paulo:Editora Scipione,
2011.
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, 2002.
Tipler,P; Mosca,G. Física, volume 2. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2006.
http://energiarenovavel.wordpress.com
http:/www.oficinaecia.com.br
http:/www.efeitojoule.com
http:/www.geocites.ws/saladefisica7/
http:/www.globorural.com.br
Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) – http:/www.aneel.gov.br
http:/www.sel.eesc.sc.usp.br/protecao/conteudodehistoricobrasil.htm
http:/www.eletrobras.gov.br
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