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UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP CAIO FERREIRA DE MATOS –RA: N6242G1 CAIO RIBEIRO SILVA – RA: N6788E1 DANIEL ROCHA SOUZA – RA: F305GF2 JARDEL COSTA BARROS – RA: F25GJA6 RYAN SANTOS DOS REIS – RA: N649119 THIAGO SANTOS DE ANDRADE – RA: N641GG6 TURMA: EB1A30 GERADOR DE VAN DE GRAAF E A GARRAFA DE LEYDEN APS – Tópicos de física geral e experimental Brasília 2020 CAIO FERREIRA DE MATOS –RA: N6242G1 CAIO RIBEIRO SILVA – RA: N6788E1 DANIEL ROCHA SOUZA – RA: F305GF2 JARDEL COSTA BARROS – RA: F25GJA6 RYAN SANTOS DOS REIS – RA: N649119 THIAGO SANTOS DE ANDRADE – RA: N641GG6 TURMA: EB1A30 GERADOR DE VAN DE GRAAF E A GARRAFA DE LEYDEN APS – Atividades Práticas Supervisionadas Trabalho redigido da matéria Atividades Práticas Supervisionadas, do curso de Engenharia Básica da Universidade Paulista (UNIP). Instrutor: Wesley Cândido Brasília 2020 RESUMO Durante os séculos, filósofos, matemáticos, médicos, engenheiros (entre outros), tentam idealizar maneiras mais ágeis para contribuir unicamente para o bem da humanidade, mas para isso era necessárias novas tecnologias, um método novo, para por exemplo, identificar uma parte do corpo quebrado, sem necessariamente ter que abrir o corpo, ou a criação de objetos eletrônicos, como a televisão. O objetivo deste trabalho, é apresentar três autores fundamentais para estas revoluções (Rober van de Graaff, Ewald Georg von Kleist e Pieter van Musschenbroek), mostrando o caminho que eles trilharam até suas descobertas e como que até o dia de hoje transformam a vida da população mundial. Os três autores se basearam pelo estudo da física e da matemática, seus projetos tem os mesmos conceitos de funcionamento, pois tanto com o gerador de van de Graaff (Rober van de Graaff) quanto a garrafa de Leyden (Ewald Georg von Kleist e Pieter van Musschenbroek), funcionam através de atrito e indução. Por fim será analisado, como estas contribuições ajudaram nos ensinos das disciplinas de: “Desenvolvimento e Sustentabilidade, Tópicos de Matemática, Tópicos de Física, Tópicos de Informática, Interpretação e Compreensão Textual e Direito”. Palavras chave: Cargas Elétricas. Prótons. Elétrons. ABSTRACT Over the centuries, mathematical philosophers, doctors, engineers (among others), have tried to devise more agile ways to contribute solely to the good of humanity, but for this new technologies were needed, a new method, for example, to identify a body part broken, without necessarily having to open the body, or creating electronic objects, such as television. The objective of this work, is to present three fundamental authors for these revolutions (Rober van de Graaff, Ewald Georg von Kleist and Pieter van Musschenbroek), showing the path that they followed until their discoveries and how that until today transform the life of world population. The three authors were based on the study of physics and mathematics, their projects have the same operating concepts, because both with the van de Graaff generator (Rober van de Graaff) and the Leyden bottle (Ewald Georg von Kleist and Pieter van Musschenbroek), work through friction and induction. Finally, it will be analyzed how these contributions helped in the teaching of the disciplines of: "Development and Sustainability, Mathematics Topics, Physics Topics, Computer Topics, Interpretation and Textual Understanding and Law". Keywords: Electric Charges. Protons. Electrons. LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIGURAS Figura 1 - Robert van de Graaff ........................................................................ 6 Figura 2 - Ewald Georg von Kleist .................................................................... 9 Figura 3 – Pieter van Musschenbroek ............................................................ 10 Figura 4 - Estrutura do gerador de Van de Graaff .......................................... 12 Figura 5 - Ilustração do Gerador de Van de Graaff ......................................... 13 Figura 6 - Disjuntores a SF6 (245 kV) ............................................................ 14 Figura 7 - Raio - X do tórax ............................................................................. 15 Figura 8 - Ilustração da garrafa de Leiden ...................................................... 19 Figura 9 - Exemplos de capacitores ............................................................... 21 Figura 10 - Ilustração do flash da câmera....................................................... 22 QUADROS Quadro 1 - Explicação da Eletrização ............................................................. 16 Quadro 2 - Fórmula das Cargas Elétricas ....................................................... 17 Quadro 3 - Fórmula da Capacitância .............................................................. 23 Quadro 4 - Capacitância pelo formato do capacitor ........................................ 23 TABELAS Tabela 1 - Fórmula da carga elétrica .............................................................. 17 Tabela 2 - Fórmula da carga elétrica realizada no Excel ................................ 18 Tabela 3 - Resolução do exercício ................................................................. 24 Tabela 4 - Fórmula do exercício realizada no Excel ....................................... 24 file:///C:/Users/thiag/Downloads/APS%20(fisica)%20(2)%20(2).docx%23_Toc41699288 file:///C:/Users/thiag/Downloads/APS%20(fisica)%20(2)%20(2).docx%23_Toc41699289 file:///C:/Users/thiag/Downloads/APS%20(fisica)%20(2)%20(2).docx%23_Toc41699290 file:///C:/Users/thiag/Downloads/APS%20(fisica)%20(2)%20(2).docx%23_Toc41699293 file:///C:/Users/thiag/Downloads/APS%20(fisica)%20(2)%20(2).docx%23_Toc41699294 file:///C:/Users/thiag/Downloads/APS%20(fisica)%20(2)%20(2).docx%23_Toc41699295 file:///C:/Users/thiag/Downloads/APS%20(fisica)%20(2)%20(2).docx%23_Toc41699296 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .......................................................................................... 5 2. OBJETIVO ................................................................................................ 5 3. BIOGRAFIA .............................................................................................. 6 3.1 BIOGRAFIA ROBERT VAN DE GRAFF (1901 – 1967) ..................... 6 3.2 BIOGRAFIA DOS AUTORES DA GARRAFA DE LEYDEN ............... 8 3.2.1 Ewald Georg von Kleist (1700 - 1748) ................................................ 8 3.2.2 Pieter van Musschenbroek (1692 – 1761) ........................................ 10 4. GERADOR DE VAN DE GRAAFF .......................................................... 12 4.1 FUNCIONAMENTO .......................................................................... 12 4.2 IMPORTÂNCIA PARA A HUMANIDADE ......................................... 13 4.3 ANALISE DE UMA FUNÇÃO ........................................................... 16 5. GARRAFA DE LEYDEN ......................................................................... 18 5.1 FUNCIONAMENTO .......................................................................... 19 5.2 IMPORTÂNCIA PARA A HUMANIDADE ......................................... 20 5.3 ANALISE DE UMA FUNÇÃO ........................................................... 22 6. DISSERTAÇÃO ...................................................................................... 24 7. CONCLUSÃO ......................................................................................... 27 8. REFERÊNCIAS ....................................................................................... 28 5 1. INTRODUÇÃO Este trabalho tem como finalidade, expor as instruções que foram dadas aos alunos do curso de Engenharia Básica (Atividades Práticas Supervisionadas - APS) da Universidade Paulista (UNIP), no dia 05/04/2020,onde foi nos estimulados que deveríamos redigir um relatório técnico sobre tudo que aprendemos nas leituras das aulas disponibilizadas na sala de aula presenciais, nas aulas online ao vivo (devido ao covid-19), e com pesquisas como livro, internet etc. a respeito da descoberta de dois projetos, relatando seu devidos autores e os meios, que os levaram a descobrir os projetos. Entre a data de 1745 a 1746, foi descoberto a famosa garrafa de Leyden, obtendo dois protagonistas para o ocorrido, em cidades diferentes (o Alemão, Ewald Georg von Kleist e o Holandês, Pieter van Musschenbroek). Em 1931 Robert Van de Graff inventou uma máquina eletrostática capaz de atingir altas tensões e que permitem realizar demonstrações que contextualizam os fenômenos eletrostáticos. Gerador de Van de Graaff e a Garrafa de Leyden são uns dos tópicos estudados da disciplina Atividade Prática Supervisionada (APS), realizada pela UNIP. Assim sendo, cada grupo, irá redigir um relatório dissertativo argumentativo debatendo sobre o tema proposto, que neste caso é o tema: “Gerador de Van de Graaff e a Garrafa de Leyden”, informando também sobre seus autores e suas influências na época até o dia de hoje. 2. OBJETIVO Informar de forma dissertativa e argumentativa os processos para criação do projeto do tema proposto, defendendo os argumentos e apresentando um plano de melhora para resolução do problema (se for o caso). 6 3. BIOGRAFIA 3.1 BIOGRAFIA ROBERT VAN DE GRAFF (1901 – 1967) Nascido em Tuscaloosa no dia 20 de dezembro de 1901, e descendente de holandeses, Robert frequentou escolas públicas e ganhou seu título de bacharel em engenharia mecânica na Universidade do Alabama em 1922, e se tornando mestre no ano de 1923. Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Robert_J._Van_de_Graaff Depois de ser graduado na universidade, ele foi assistente de pesquisa no Alabama Power Company durante um ano. Estudou em Paria entre os anos de 1924 e 1925, onde participou da conferência de Marie Curie. Em 1925 ganhou uma bolsa para a Universidade de Oxford, na Inglaterra, lá ele conseguiu o título de bacharel em física em 1926, e o de doutor, também em física em, 1928. Durante seu tempo em Oxford, ficou intensamente interessado nos experimentos de física nuclear, do mesmo jeito que Ernest Rutherford, acreditava que as partículas poderiam ser aceleradas a velocidades suficientemente grandes para Figura 1 - Robert van de Graaff https://pt.wikipedia.org/wiki/Ernest_Rutherford https://pt.wikipedia.org/wiki/Part%C3%ADcula 7 que o núcleo atômico se desintegrasse. Através da desintegração dos núcleos atômicos, pode-se descobrir muito a respeito da natureza individual dos átomos. Devido a isso Robert via um acelerador de partículas como algo importante. Em 1929, Robert voltou para os Estudos Unidos para participar do laboratório de física Palmer na universidade de Princeton. Mais tarde naquele mesmo ano, ele construiu o primeiro modelo do gerador eletrostático onde alcançou 80 mil volts, este gerador ficou conhecido como gerador de Van de Graaff. Melhoras foram feitas no primeiro modelo em novembro de 1931, em um jantar inaugural do instituto americano de física. Durante a demonstração, o aparelho alcançou 1.000.000 volts. Van de Graaff foi convidado para fazer parte, como pesquisador, do instituto de tecnologia de Massachusetts (MIT) quando Karl Compron tornou-se presidente do instituto. Van de Graaff construiu sua primeira grande máquina em um hangar para aviões em South Dartmouth, Massachusetts. A máquina tinha duas esferas de alumínio polido com 4,5 metros cada uma, montadas em cima de colunas de 7,5 metros. As colunas foram montadas sobre vagões de trens, o que as deixou com 13 metros. Em sua estreia em 28 de novembro de 1933, a máquina era capaz de produzir 7.000.000 volts. John Cockcroft e Ernest Walton, do Laboratório Cavendish na Inglaterra, conseguiram construir um acelerador de partículas em 1932. Essa máquina utilizava múltiplos circuitos para produzir a tensão necessária para um acelerador de partículas. Ele era imenso, complicado e de tensão limitada. O aparelho de van de Graaff era simples, compacto e de fácil regulagem, além de produzir tensões maiores. Em 1935, Van de Graaff contribuiu para o desenvolvimento do raio x, e o uso da radiação para tratamento de câncer com uma penetração precisa da radiação, a qual foi utilizada pela primeira vez em 1937 na escola de medicina de Harvard. Em 1936, Van de Graaff se casou com Catherine Boyden. Eles tiveram dois filhos, John e William. Durante a Segunda Guerra Mundial, Van de Graaff foi diretor do projeto radiográfico de alta tensão. Junto com William W. Buechner, fez adaptações no https://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAcleo_at%C3%B4mico https://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo https://pt.wikipedia.org/wiki/Acelerador_de_part%C3%ADculas https://pt.wikipedia.org/wiki/Hangar https://pt.wikipedia.org/wiki/Avi%C3%A3o https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=South_Dartmouth&action=edit&redlink=1 https://pt.wikipedia.org/wiki/Massachusetts https://pt.wikipedia.org/wiki/Laborat%C3%B3rio_Cavendish https://pt.wikipedia.org/wiki/1932 https://pt.wikipedia.org/wiki/Segunda_Guerra_Mundial https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=William_W._Buechner&action=edit&redlink=1 8 gerador eletrostático para que pudesse fazer verificações radiográficas precisas nos caminhões da marinhas dos Estados Unidos. Quando a guerra passou, em 1945, Van de Graaff recebeu um bom auxílio da fundação Rockefeller para que fosse desenvolver um bom acelerador de partículas no instituto de tecnologia de Massachusetts (MIT). Em 19 de dezembro de 1946, Van de Graaff e Trumph, fundaram a High Voltage Engineering Corporation (HVEC), em Burlington no estado de Massachusetts. Quando fundaram a HVEC, a intenção era produzir comercialmente aceleradores de partículas. Denis M. Robinson, um professor de engenharia elétrica da Inglaterra, tornou- se presidente desta corporação. John Trumph tornou-se diretor técnico, e Van de Graaff tornou-se o físico chefe e membro do conselho administrativo. A HVEC tornou- se líder no fornecimento de geradores eletrostáticos para uso de tratamento de câncer, na indústria radiográfica e para o estudo da estrutura nuclear do átomo. Em 1947, van de Graaff recebeu a Medalha Duddell da Sociedade de Física da Grã- Bretanha. Ao final dos anos 1950, Van de Graaff inventou um transformador separador de núcleo, na qual gerava alta tensão que usava um fluxo magnético. Van de Graaff continuou trabalhando como professor do MIT até 1960, quando abandonou a universidade e decidiu dedicar-se a si mesmo e à empresa HVEC. Em 1966 foi recompensado com o Prêmio Tom W. Bonner pela sua contribuição ao desenvolvimento do gerador eletrostático e pelo acelerador de partículas. Robert Jeminson Van de Graaff morreu na manhã de 16 de janeiro de 1967, em Boston, aos 65 anos. 3.2 BIOGRAFIA DOS AUTORES DA GARRAFA DE LEYDEN 3.2.1 Ewald Georg von Kleist (1700 - 1748) O Alemão Ewald Georg nasceu em 1700 na cidade de Vietzow, e filho de uma família nobre (sobrenome von Kleist). O pai de Kleist, um magistrado do distrito (Landrat), o enviou à Universidade de Leiden para se preparar para seu lugar na investigação administrativa prussiana. Durante a década de 1720, Ewald ingressou https://pt.wikipedia.org/wiki/Massachusetts https://pt.wikipedia.org/wiki/Engenharia_el%C3%A9trica https://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsico https://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo https://pt.wikipedia.org/wiki/Medalha_Duddell https://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica https://pt.wikipedia.org/wiki/Gr%C3%A3-Bretanha https://pt.wikipedia.org/wiki/Gr%C3%A3-Bretanha https://pt.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9cada_de_1950 https://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAcleo https://pt.wikipedia.org/wiki/Magnetismo https://pt.wikipedia.org/wiki/1960 https://pt.wikipedia.org/wiki/1966https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Pr%C3%AAmio_Tom_W._Bonner&action=edit&redlink=1 https://pt.wikipedia.org/wiki/16_de_janeiro https://pt.wikipedia.org/wiki/1967 https://pt.wikipedia.org/wiki/Boston 9 na Universidade de Leipzig e logo após na Universidade de Leyden, onde se interessou pelo estudo de ciências e de eletricidade tendo uma grande influência do filósofo matemático holandês Gravesande 's Willem. Ewald de tornou cientista e padre (No final de seus estudos, ele foi ordenado sacerdote na catedral de Camin, em Pomeria Alemanha). Fonte: https://crowd-literature.eu/answering-kleist/ Na década de 1740 que Ewald iniciou seus primeiros experimentos que o levaram à descoberta do primeiro condensador, o conhecido "Leyden Bottle". Em 10 de outubro de 1745, Ewald descobriu acidentalmente que a eletricidade podia ser manipulada. Seu experimento consistiu em uma garrafa de vidro cheia de água e fechada, com um fio que atravessava a tampa e estava em contato com a água dentro da garrafa, que era eletricamente carregada, colocando o referido fio em contato com um dispositivo elétrico, mas naquela época Ewald não havia certamente percebido o que tinha alcançado até receber um forte choque elétrico ao encostar no objeto. Algum tempo depois, ele fez alguns documentos sobre seu experimento, relatando, "o que realmente me surpreende", escreveu a JG Krüger, professor de Halle, em dezembro de 1745, "é que o efeito poderoso ocorre apenas quando a garrafa é segurada na mão. Não importa o quão forte eu eletrifique o frasco, se eu o Figura 2 - Ewald Georg von Kleist 10 puser na mesa e me aproximar do meu dedo, não haverá faísca, apenas um assobio ardente. Se eu o segurar novamente, sem eletrificá-lo novamente, ele mostra sua força anterior”. Ewald foi pessoalmente responsável pela elaboração de cartas que enviou a personalidades de prestígio da época no campo científico, como o famoso médico Dr. Lieberkuhn, que relataria esses eventos à Academia de Berlim. Ewald Georg von Kleist morreu aos 48 anos no dia 11 de dezembro de 1748, na cidade de Koszalin, Polônia, a causa de sua morte não foi publicada. 3.2.2 Pieter van Musschenbroek (1692 – 1761) Pieter nasceu em 14 de março de 1692 em Leiden (Holanda). Sua família veio de Flandres. O pai de Pieter foi um famoso construtor de instrumentos científicos, como microscópios, telescópios e bombas de ar. Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Pieter_van_Musschenbroek Com 16 anos de idade Pieter, já era considerado poliglota, com conhecimento em grego, latim, alemão, inglês, francês, italiano e espanhol. Dando início na universidade de Leiden, formando-se em bacharelado em Medicina. Ele finalizou sua pós em filosofia em 1719 na Inglaterra. Entre 1719 a 1723, Pieter foi professor de Figura 3 – Pieter van Musschenbroek 11 matemática e física na Universidade de Duisburg, na Alemanha, logo após mudou-se para Utrecht para ser professor de astrologia. Como a família Musschenbroek era famosa por criações de novas tecnologias, Pieter também decidiu seguir o mesmo rumo, criando em 1731 um pirômetro. Em 1740, ele retornou a Leiden para ser professor na mesma universidade onde estudava na juventude. Em 1745, enquanto conduzia experimentos na universidade com seu assistente, Andreas Cunaeus, Pieter descobriu que a eletricidade estática poderia ser armazenada em um recipiente, logo após, o mesmo levar um choque elétrico. A descoberta levou à criação do primeiro capacitor. O qual será explicado nesse texto nos próximos tópicos. Van Musschenbroek comunicou sua descoberta ao físico francês René Réaumur em janeiro de 1746, e foi o abade Nollet, o tradutor francês da carta escrita em latim por Musschenbroek, que batizou a invenção como a "garrafa de Leiden". A garrafa de Leiden representou um avanço na história da eletricidade. Van Musschenbroek era membro de diferentes sociedades e academias de ciências, como as de Paris e Berlim. Em 1747, ele foi eleito membro estrangeiro da Academia Real Sueca de Ciências. Em 1754, foi nomeado professor honorário da Academia Imperial de Ciências de Petersburgo. Pieter van Musschenbroek faleceu em 19 de setembro de 1761 em Leiden, Holanda. 12 4. GERADOR DE VAN DE GRAAFF “Homem lança um raio de 7.000.000 de volts”, matéria publicada pelo jornal New York Times em 29 de novembro de 1933, relatando o feito do físico Robert Jemison Van de Graaff, que acabará de criar uma máquina capaz de armazenar cargas de até 7.000.000 volts em seus terminais. Após assistir uma palestra do então descobridor do átomo Sr. Rutherford que por sua vez falava da necessidade de aceleração de partículas para controle de energia no estudo da física nuclear, Van de Graaff pesquisou e desenvolveu em 1931 uma máquina eletrostática capaz de atingir altas tensões e que permitem realizar demonstrações que contextualizam os fenômenos eletrostáticos, essa máquina foi dada o nome de Gerador de Van de Graaff. 4.1 FUNCIONAMENTO Para o entendimento do Gerador de Van de Graaff, é importante entender que ele provém da eletrostática, pois se conceitua em condução por atrito e indução. Seu principal objetivo, é fornecer uma tensão necessária para aceleradores de partículas assim quebrando as partículas, para conseguir realizar vários experimentos. Um modelo do gerador de Van de Graaff é o que gera carga a partir do atrito da correia com os rolamentos do motor elétrico, assim carregando sua esfera. Observe seu funcionamento na figura 1. Figura 4 - Estrutura do gerador de Van de Graaff Fonte: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/gerador-van-graaff.htm 13 O motor movimenta a correia, e a correia atrita-se na parte inferior com uma escova metálica ligada ao eletrodo negativo ou positivo de uma fonte. Assim eletrizando a correia por atrito. Ao chegar à parte superior, a correia toca uma segunda escova, que está em contato com a camada esférica do gerador. Cargas elétricas de sinal oposto ao da correia penetram por ela, deixando a esfera do gerador eletricamente carregada e capaz de gerar altas tensões elétricas ao seu redor. Segundo o professor Joab Silva, a partir do momento em que as cargas acumuladas da esfera metálica criarem um campo elétrico de 30 KV/cm, o ar nas redondezas do condutor sofrerá um processo de ionização, o chamado efeito corona, que limitará o acúmulo de cargas elétricas na esfera. O gerador de Van de Graaff depende do efeito corona para funcionar. Esse efeito ocorre quando partículas de ar, são submetidas a um campo elétrico muito elevado e intenso, e faz com que essas partículas se tornem ionizadas. Assim, em um gerador de Van de Graaff, isso faz com que as escovas funcionem e consigam captar as cargas. 4.2 IMPORTÂNCIA PARA A HUMANIDADE O gerador de Van de Graaff está entre os geradores de maior importância desenvolvido com base nos fenômenos eletrostáticos. Ele foi imprescindível para descobertas, como o raio X (RONTGEN, 1895), impressoras a laser (SCHEIN, 1992), separadores de partículas (KAWAMOTO; UMEZO, 2007). Figura 5 - Ilustração do Gerador de Van de Graaff Fonte: https://athoselectronics.com/gerador-de-van-de-graaff/ 14 Um acontecimento bastante importante, foi que como o gerador enviava cargas através do ar [figura 2], foi notado que o ar não seria um meio bem-sucedido, assim sendo, houve um esforço tremendo para desenvolver gases que seriam melhores isolantes. Vários gases foram testados, como o tetracloreto de carbono na qual observou-se que não era saudável para os humanos, e que também possuía baixa pressão de vapor. Vários outros gases foram testados, até que por fim testando o gás hexafluoreto de enxofre (SF6), um ótimo gás para isolação, não toxico e que poderia ser pressurizado. Também foi notado que os arco voltaicos eram rapidamente extintos. Nos dias atuais vários equipamentos elétricos possuemo gás SF6, como o disjuntor das subestações elétricas. A técnica SF6 desenvolveu-se rapidamente na muito alta tensão e, mais recentemente, em média tensão para a execução de interruptores, disjuntores, contatores; aparelhagem simples e de grande duração de vida. Neste tipo de disjuntor o fluxo de gás é injetado na zona de formação do arco devido ao movimento do contato móvel, que através de um cilindro e de um injetor de gás produzem pressões da ordem das duas vezes a pressão existente na câmara de corte. Outro método utilizado na tecnologia deste disjuntor consiste em ser o próprio arco a participar na elevação da pressão do gás. Tal consegue-se através de um campo magnético produzido por uma bobina existente na câmara de corte (percorrida pela própria corrente de arco) cuja função é comprimir o gás não ionizado existente na câmara de corte. Fonte: Cigré - Brasil Figura 6 - Disjuntores a SF6 (245 kV) 15 O SF6 é utilizado na isolação de geradores de alta tensão em aceleradores de partículas, tais como aceleradores, betatrons, geradores de nêutrons em institutos científicos e é claro como já informado, o gerador de Van der Graaf, além de aplicações com radiação na medicina e na indústria. Similarmente, o SF6 tem tido bom desempenho em estabilizadores de tensão de microscópio eletrônicos e em aparelhos de Raio-X, do tipo utilizado em ensaios não destrutivos de materiais e no exame de produtos para a indústria. Um outro fator importante para humanidade, principalmente para a medicina foi que a partir da descoberta do gerador de van de Graaff, foi possível a descoberta em 1895 pelo alemão Wilhelm Conrad Roentgen, dos raios – X. Os raios X, são radiações eletromagnéticas de alta frequência, produzidas a partir da colisão de feixes de elétrons com metais. Essa radiação não pode ser percebida pelo olho humano, pois está além da frequência máxima distinguida pela visão humana. É importante na Medicina porque possibilita gerar diagnósticos por meio de imagens. Segundo graduado em física Joab Silas da Silva Junior, “o grande benefício oriundo da descoberta dos raios X foi a possibilidade de realizar diagnósticos por imagens. Tecidos e fibras musculares são praticamente atravessados pelos raios x, enquanto os ossos absorvem essa radiação. Como esses raios têm a capacidade de enegrecer chapas fotográficas, ao colocarem-se partes do corpo humano entre uma fonte de raios x e uma chapa fotográfica, pode-se observar a formação de uma “fotografia” dos ossos. O estudo de órgãos do abdômen, a radiografia do tórax para análise de doenças do pulmão e a mamografia, exame que busca identificar câncer de mama, são exemplos de aplicações dos raios X”. Fonte: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-sao-os-raios-x.htm Figura 7 - Raio - X do tórax 16 O gerador de van de Graaff, foi digamos que uma base para uma grande renovação para a saúde da população mundial, pois mesmo ele (Robert) estudando física que na teoria, se condiz com exatas, não tendo relação com humanas, ele conseguiu provar que na verdade é totalmente ao contrário, e que a realidade é que extas e humanas é como a expressão “marido e mulher”, pois um sustenta o outro, um necessita do outro, exatas criam ou inventam nos equipamentos para novas tecnologias, enquanto quem estuda humanas, estabelecem novas formas de utilizar esses equipamentos para cuidar do bem estar de toda a população. 4.3 ANALISE DE UMA FUNÇÃO O funcionamento do gerador de van de Graaff, é caracterizado pela eletrostática, devido seu funcionamento ser, “Eletrização por atrito”, “Eletrização por contato” e “Eletrização por indução eletrostática”. Quadro 1 - Explicação da Eletrização Eletrização Eletrização por atrito Ambos os corpos eletrizados ficam com cargas de módulo igual, porém com sinais opostos. Eletrização por contato O cálculo da carga resultante após o processo é dado pela média aritmética entre a carga dos condutores em contato. 𝑄𝑅 = 𝑄1 + 𝑄2 + ⋯ 𝑄𝑛 𝑛 𝑄𝑅 = Carga resultante 𝑄1 + 𝑄2 + ⋯ 𝑄𝑛 = Soma das cargas 𝑛 = números de corpos carregados Eletrização por indução eletrostática O processo é dividido em três etapas: 1ª etapa: Um bastão eletrizado é aproximado de um condutor neutro, pelo princípio de atração e repulsão, os elétrons livres do induzido são atraídos/repelidos dependendo do sinal da carga do indutor. 2ª etapa: Liga-se o induzido à terra, ainda na presença do indutor. 3ª etapa: Desliga-se o induzido da terra, fazendo com que sua única carga seja a do sinal oposto ao indutor. Fonte: Só física Porém antes da eletrização, é necessário entender o processo das cargas elétricas. 17 A carga elétrica é uma propriedade intrínseca (própria) das partículas fundamentais da matéria, como prótons e elétrons, assim como a massa. Corpos eletricamente neutros apresentam a mesma quantidade de cargas elétricas positivas e negativas. Os prótons e elétrons apresentam, cerca de 1,6 ∗ 10−19𝐶. Portanto, quando um corpo está eletricamente carregado, sua carga é um múltiplo inteiro da carga fundamental, uma vez que a eletrização ocorre a partir da adição ou remoção de elétrons, visto que os prótons se encontram ligados no interior dos núcleos atômicos. Quadro 2 - Fórmula das Cargas Elétricas Cargas elétricas Carga elétrica elementar 𝑒 = 1,6 ∗ 10−19 e = carga elétrica elementar Carga elétrica 𝑞 = 𝑛 ∗ 𝑒 q = carga elétrica 𝑛 = 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑟𝑒𝑠 𝑒 = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑟 Fonte: Só física Para um exemplo, da execução das fórmulas das cargas elétricas, segue abaixo uma questão realizada pela FMJ-SP. (FMJ-SP) O cobalto é um elemento químico muito utilizado na medicina, principalmente em radioterapia. Seu número atômico é 27 e cada elétron tem carga elétrica de 1,6 ∗ 10−19𝐶. A carga elétrica total dos elétrons de um átomo de cobalto é, em valor absoluto e em C, igual a. Resposta: Para respondermos essa pergunta, bastávamos entender os conceitos de cargas elétricas, utilizando da fórmula q=n*e, conforme tabela 1, segue abaixo. Tabela 1 - Fórmula da carga elétrica Fórmula = q=n*e q = ? n = 27 e = 1,6E-19 q = 4,32E-18 Fonte: Próprio autor 18 Para um melhor entendimento, sobre o método utilizado para o resultado, segue exemplo do cálculo realizado no Excel na tabela 2, segue abaixo. Tabela 2 - Fórmula da carga elétrica realizada no Excel Fórmula = q=n*e q = ? n = 27 e = =1,6*10^-19 q = =B3*B4 Fonte: Próprio autor 5. GARRAFA DE LEYDEN A garrafa de Leyden, é um material capaz de armazenar cargas, fazendo com que se liberasse faíscas e choques, sendo descarregadas em um piscar dos olhos, funcionando como um capacitor de energia. Seu descobrimento, ao que está registrado, foi na data entre 1745 e 1746, obtendo dois protagonistas para o ocorrido, em cidades diferentes (o Alemão, Ewald Georg von Kleist e o Pieter van Musschenbroek dos Países Baixos). Em meados de outubro (1745), o físico Ewald Georg von Kleist, descobriu que uma carga poderia ser armazenada, conectando um gerador de alta tensão eletrostática por um fio a uma jarra de vidro com água, que estava em sua mão. A mão de Von Kleist e a água agiram como condutores, e a jarra como um dielétrico. Von Kleist descobriu, após a remoção do gerador, que ao tocar o fio, o resultado era um doloroso choque. Em 1746 o professor holandês Musschenbroek tentava encontrar um meio de armazenar corrente elétrica, adequada às suas demonstrações. Então ele pegou uma garrafa de vidro e encheu com um pouco de água, depois, colocou dentro dela um fio condutor, que estava conectado a uma máquina elétrica. Ele sempre colocava a garrafa sobre um isolante para ajudar a manter a corrente dentro dela, para depois 19 tentar inserir eletricidade dentro da garrafa produzidapela máquina e conduzida pelo fio até dentro da água. Porém a corrente não ficava dentro da garrafa, até que um certo dia, ao esquecer de pôr a garrafa sobre o isolante, acabou eletrizando-a. Esse processo ocorreu porque ao segurar a garrafa com uma mão, recebeu um choque elétrico, ao tocá-la com a outra mão na parte superior. Como o Sr. Musschenbroek, residia na cidade de Leyden, este experimento foi dado o nome de “Garrafa de Leyden”. 5.1 FUNCIONAMENTO Para a construção da garrafa de Leiden, podemos utilizar um simples canudo de refresco ou, até mesmo um cano de PVC. Através do atrito (ou indução de uma folha de papel com o cano por exemplo), bilhões de prótons e elétrons são transferidos para o cano PVC (Esse processo é repetido várias vezes). É necessário colocar no meio da garrafa pela parte de fora um papel alumino para que segurando com a mão o objeto seja induzido mais cargas por causa do aterramento. Após carregá-la (eletricidade estática), poderá ser descarregado ocasionando um choque em quem tocá-lo (eletricidade dinâmica). Obs.: Se várias pessoas estiverem de mãos dadas, isso formará um circuito, e assim que tocado em uma das mãos de uma dessas pessoas, todas as pessoas tomarão choque, é claro, quanto mais pessoas fazendo parte deste circuito, menos forte acontecerá o choque. Fonte:http://www.rc.unesp.br/showdefisica/99_Explor_Eletrizacao/paginas%20htmls/Garrafa%20de% 20Leyden.htm Figura 8 - Ilustração da garrafa de Leiden 20 5.2 IMPORTÂNCIA PARA A HUMANIDADE A garrafa de Leyden, foi a base da tecnologia, sua descoberta foi através de um choque é verdade, porém a verdade é que a partir do seu descobrimento, foi entendido, que era possível armazenar energia dentro de um equipamento e utiliza-lo assim que necessário, dispersando a energia em uma única vez (este foi dado o nome como o primeiro capacitor). Após o descobrimento da garrafa de Leyden, e como se comportava a energia dentro dela, deu-se origem ao capacitor, que são utilizados para diversos fins, tanto em aplicações de corrente contínua, como temporizadores, retificadores e em corrente alternada para correção do fator de potência, fil tros passivos, entre outros. O capacitor hoje em dia é muito importante para o funcionamento dos circuitos eletrônicos, ele é encontrado em grande quantidade, de diferentes formatos e tamanhos nos mais variados equipamentos. Entre eles, máquinas industriais, eletrodomésticos e computadores. O capacitor é usado em muitas funções importantes nos circuitos eletrônicos, como, por exemplo, na determinação da frequência de operação, em circuitos de filtros, em circuitos de tempo, na filtragem de correntes e de sinais. Em uma máquina fotográfica, por exemplo, ele é utilizado para armazenar cargas do flash. Também podem ser utilizados, tanto em aplicações de corrente contínua, como temporizadores, retificadores e em corrente alternada para correção do fator de potência, filtros passivos, entre outros. Como os capacitores são usados basicamente para armazenar energia, alguns cuidados devem ser tomados para garantir que trabalhem sempre dentro das suas especificações evitando sobreaquecimento que em alguns casos pode até a causar explosão do componente. 21 Basicamente, o capacitor consiste em duas placas metálicas condutoras separadas por um isolante dielétrico, sendo que esse dielétrico pode ser encarado como um material isolante qualquer, que em alguns casos dá nome ao capacitor (capacitores cerâmicos, de mica, de poliéster, etc). Fonte: https://www.sabereletr ica.com.br/entenda-o-funcionamento-dos-capacitores/ Como já informado, um dos objetos que necessitam essencialmente do capacitor são as câmeras fotográficas, pois elas precisam ter um flash, e são as pilhas que desempenham a função de carregá-lo com energia durante alguns segundos. No entanto, na hora de tirar a foto, apenas um capacitor pode fazer o descarregamento de toda a carga no bulbo do flash de maneira instantânea. Figura 9 - Exemplos de capacitores 22 Figura 10 - Ilustração do flash da câmera Fonte: https://blog.ipsispro.com.br/como-fotografar-com-flash Um outro eletrodoméstico que utiliza o capacitor é o ventilador, tendo como função dar a partida e também manter a velocidade de rotação do motor. Na verdade, os motores de ventiladores não possuem força e torque suficientes para iniciar a ventilação, por isso há a necessidade de instalação do capacitor. É possível ver que ao ligar o ventilador, qualquer pessoa consegue sem esforço, segurar a hélice impedindo o motor de girar. Em contrapartida, ao ligar uma furadeira é impossível segurar o mandril e impedir que ele gire. Liquidificadores, furadeiras e a maioria das ferramentas elétricas possuem motores de indução com força e alto torque, por isso não possuem capacitores na partida. É notado que após a descoberta da garrafa de Leyden, o mundo das tecnologias elevou-se em uma quantidade absurda, no Brasil por exemplo, uma pesquisa realizada pela Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios - PNAD 2008, informa que aproximadamente 175,5 milhões de pessoas, ou seja, 92,4% da população residente, declararam ter assistido televisão em 2008. Ou seja, isso só ocorreu devido a descoberta da garrafa de Leyden (O primeiro capacitor). 5.3 ANALISE DE UMA FUNÇÃO 23 Conforme já foi informado, a garrafa de Leyden, funciona como um capacitor, por isso, se torna interessante o entendimento, sobre como se dá o cálculo desse equipamento. A capacitância é uma grandeza física escalar que mede a quantidade de cargas que pode ser armazenada em um capacitor para uma determinada diferença de potencial elétrico. Quanto mais cargas um capacitor puder armazenar, maior será a sua capacitância. Quadro 3 - Fórmula da Capacitância CAPACITÂNCIA 𝐶 = 𝑄 𝑈 C – Capacitância (F) Q – Carga elétrica (C) U – Potencial elétrico (V) Fonte: Própr io autor A capacitância também é determinada pelo formato do capacitor, uma vez que fatores como a área das placas do capacitor e a distância entre elas determinam a intensidade dessa grandeza. Observe como é a fórmula usada para calcular a capacitância de um capacitor de placas paralelas no vácuo: Quadro 4 - Capacitância pelo formato do capacitor CAPACITÂNCIA 𝐶 = ℰ0 ∗ 𝐴 𝑑 ℰ0- permissividade elétrica do vácuo (8,85 ∗ 10 −12𝐹/𝑚) 𝐴 – área das placas paralelas 𝑑 – distância entre as placas Fonte: Próprio autor Para um exemplo, da execução das fórmulas da capacitância, segue abaixo uma questão realizada pelo site online, mundo educação. (Uece) Um capacitor tem uma capacitância de 8,0 ∗ 10−11 𝐹. Se o potencial elétrico entre suas placas for 12 V, o número de elétrons em excesso na sua placa negativa é: (considere a carga de um elétron como 𝑒 = 1,6 ∗ 10−19 𝐶. Resposta: Nesta situação, o exercício, está solicitando o número de elétrons na placa negativa. Como já estudado, de acordo com a quantização da carga elétrica, 24 o elétron, obtém a fórmula 𝑄 = 𝑛 ∗ 𝑒, como a capacitância de um capacitor é dada pela equação 𝐶 = 𝑄 𝑈 , bastar realizar a junção dessas duas fórmulas. Segue na tabela abaixo: Tabela 3 - Resolução do exercício Fórmula: C = n*e/U Isolando o n: n = C*U/e C = 8E-11 n = ? e = 1,6E-19 U = 12 n = 6,0E+09 Fonte: Próprio autor Para um melhor entendimento do cálculo utilizado, segue exemplo da mesma, utilizada no Excel: Tabela 4 - Fórmula do exercício realizada no Excel Fórmula: C=n*e/U Isolando o n: n=C*U/e C = =8*10^-11 n = ? e = =1,6*10^-19 U = 12 n = =B4*B7/B6 Fonte: Próprio autor 6. DISSERTAÇÃO Analisando os conceitos deste trabalho, podemos notar, o quão extenso e multidisciplinar pode se tornar um projeto, ou um conteúdo, a ideia de que através de 25 um conceito, milhares de outras coisas podem ser estudadase ou desenvolvidas, se tornando uma fonte de enriquecimento para todos. Nos estudos sobre os três físicos e seus respectivos projetos (descobertas), foram registrados como uma disciplina abrange a outra, mostrando que para cada passo da exatas, humanas também dá um passo e vice e versa. Tópicos de informática: Foi essencial o estudo da APS, para o aprendizado de cálculos, fórmulas e muitas outras coisas no Excel. O tópico estudo de uma função, fez com que utilizássemos ferramentas do Excel, aprendendo atalhos que irão facilitar o nosso desenvolvimento não só escolar, como também, profissional, pois agora, conseguimos criar diversas estruturas de dados nesta ferramenta. Tópicos de física: Neste trabalho, tópicos de física, foi a matéria em que mais nos desenvolvemos, a partir dele, foi entendido e compreendido os conceitos de eletrização (eletrização por atrito, eletrização por contato e eletrização por indução eletrostática) e de capacitância, podemos entender que para mexermos em um objeto eletrizado é necessário entendermos os seus conceitos, ou poderemos sofrer as consequências, como no caso da garrafa de Leyden, onde os seus dois autores, levaram choques elétricos. Também foi observado que para a utilização do capacitor, é necessário entender suas estruturas como suas fórmulas tanto da carga 𝑄 = 𝑛 ∗ 𝑒, quanto da capacitância 𝐶 = 𝑄 𝑈 , assim podendo especificar o quanto de carga ou capacitância seria necessário para um dado circuito elétrico. Tópicos de matemática: Para esta matéria, pode-se dizer que é uma junção com a física, pois as duas nos ensina conceito matemáticos, sendo que, a física nos ensinas conceitos teóricos e a matemática no ensina a transformar esses conceitos em cálculos para aplicarmos na prática. Por esse motivo, a matemática é a base ideal a revolução tecnológica. Desenvolvimento sustentável: Se analisarmos profundamente os projetos desenvolvidos explicados neste trabalho, poderemos notar que eles foram de grande suporte para o desenvolvimento sustentável. Por exemplo através do produto interno bruto agregado que expressa o total da produção final de bens e serviços finais produzido em determinado período de tempo, o PIB, que é expresso pela fórmula 26 𝑃𝐼𝐵 = 𝐶 + 𝐺 + 𝐼 + (𝑋 − 𝑀), sendo C = consumo das famílias, G = consumo do governo, I = investimento bruto, X = exportações de bens e serviços e M = importações de bens e serviços. Nesta situação, é notado que com as descobertas, o PIB foi aproveitado, principalmente em exportações de bens e serviços, tornado o país mais bem desenvolvido. Noções de direito: Nesta disciplina, observamos que em até um simples trabalho acadêmico, podemos estar violando as leis existentes. O Art. 184 do Código Penal - Decreto Lei 2848/40, informa que violar direitos de autor e os que lhe são conexos: (Redação dada pela Lei nº 10.695, de 1º.7.2003), podendo obter uma pena - detenção, de 3 (três) meses a 1 (um) ano, ou multa (Redação dada pela Lei nº 10.695, de 1º.7.2003). Por este motivo, este trabalho também foi essencial para os conhecimentos sobre noções de direito. Interpretação e produção de texto: Neste conteúdo, mesmo parecendo não obter tanto fator expressivo para a APS, ele mostra que para todo conhecimento técnico, é necessário, compreender e logo após interpretar, exatamente como foi nas descobertas pelos físicos. Um exemplo, foi na descoberta da garrafa de Leyden, quando que para entender que acabará de criar o capacitor, foi necessário compreender o choque, e interpretar o que levou isso acontecer. Como podemos observar, os estudos sobre o conteúdo proposto na APS, é multidisciplinar, podendo ser compreendido e desenvolvido em todo meio mundial, no começo deste trabalho, havíamos informado algumas matérias em que a APS foi estimulada, porém também foi entendido, que as descobertas, proporcionaram uma revolução, principalmente, para a área voltada a medicina, quando puderam realizar estudos inovadores, como o raio – x, que ocorreu a partir da criação do gerador de na de Graaff. 27 7. CONCLUSÃO Pode-se concluir que, as duas descobertas, foram essenciais para uma revolução tecnológica. Tanto o gerador de van der Graaff, quanto a garrafa de Leyden, apesar de terem sido descobertos a muitos anos atrás, ainda sim continua sendo extremamente útil nos dias atuais, principalmente para projetos escolares. Analisando os meios de funcionamentos dos projetos, constatamos que a garrafa de Leyden e gerador de van der Graaff, utilizam os mesmos princípios de funcionamento, a eletrostática. Para que os dois projetos funcionassem, o equipamento, foi eletrizado através de atrito e indução. Este trabalho foi bastante importante, para o nosso primeiro semestre no curso de engenharia, principalmente devido estarmos enfrentando uma pandemia mundial. Nossos conhecimentos, certamente se enriqueceram, podemos nos aprofundar em teorias, e vê-las se reproduzindo (através de vídeo) na prática. 28 8. REFERÊNCIAS CAPACITOR. Wikwand. Disponível em: <https://www.wikiwand.com/pt/Capacitor>. Acesso em: 26 de abril de 2020. ELETROSTÁTICA: GARRAFA DE LEYDEN. Física Crush. Disponível em: <http://fisicacrush.blogspot.com/2018/02/vamos-falar-da-historia-da- pesquisa_25.html>. Acesso em: 26 de abril de 2020. FUFARI, Tony A. A History of the Van de Graaff Generator. IEEE Explore. GARRAFA DE LEYDEN. Física Universitária. Youtube. 25 de agosto de 2012. 09min06s. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=xFZ8mbHRSto. Acesso em 26 de abril de 2020. JÚNIOR, J. S. da Silva. Gerador de Van de Graaff. Brasil Escola. Disponível em: <https://brasilescola.uol.com.br/fisica/gerador-van-graaff.htm>. Acesso em 16 de abril de 2020. LEYDENJAR. Wiki de história da engenharia e tecnologia. Disponível em: <https://ethw.org/Leyden_jar>. Acesso em: 26 de abril de 2020. MÁQUINA ELETROSTÁTICA. In: WIKIPÉDIA, a enciclopédia livre. Flórida: Wikimedia Foundation, 2019. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=M%C3%A1quina_eletrost%C3%A1tica&ol did=56914155>. Acesso em: 16 abril de 2019. PAULA, Ricardo N. F. Gerador de Van de Graaff. InfoEscola. Disponível em: <https://www.infoescola.com/fisica/gerador-de-van-de-graaff/>. Acesso em 16 de abril de 2020. QUEIROZ, Antônio C. M. A Garrafa de Leyden. UFRJ. Disponível em: <https://www.coe.ufrj.br/~acmq/leydenpt.html>. Acesso em 16 de abril de 2020. RHETT, Allain. Let's Geek Out on the Physics of Leyden Jars. Wired. Disponível em: <https://www.wired.com/2017/01/the-physics-of-leyden-jars/>. Acesso em 26 de abril de 2020. RIBEIRO, José L. Aplicação de capacitores em ventiladores. ILTEC. Disponível em https://www.iltec.com.br/sem-categoria/aplicacao-de-capacitores-em- ventiladores/. Acesso em 26 de maio de 2020. SANTOS, Marco A. da S. Gerador de Van de Graaff. Mundo Educação. Disponível em: <https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/o-gerador-van-graaff.htm>. Acesso em 16 de abril de 2020. 29 SILVA, P. Soares. Gerador de Van de Graaff. Alunos Online. Disponível em: <https://alunosonline.uol.com.br/fisica/o-gerador-van-der-graaf.html>. Acesso em 16 de abril de 2020. TEIXEIRA, Mariane M. Eletricidade Estática. Alunos Online. Disponível em: <https://alunosonline.uol.com.br/fisica/eletricidade-estatica.html>. Acesso em 19 de abril de 2020. TEIXEIRA, Mariane M. Eletrização por Indução. Mundo Educação. Disponível em: <https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/eletrizacao-por-inducao.htm>. Acesso em 19 de abril de 2020. 30 ASSINATURAS Devido estarmos enfrentando uma grande pandemia mundial (Covid - 19), foi publicado no Diário Oficial pelo atual governador de Brasília Ibaneis Rocha o decreto nº 40.539, estabelecendo o fechamento das escolas e proibindo aglomerações. Por este motivo, cada aluno realizou sua assinatura individualmente, e encaminhou paraum dos integrantes do grupo realizar a junção de todas as assinaturas. CAIO FERREIRA DE MATOS CAIO RIBEIRO SILVA DANIEL ROCHA SOUZA JARDEL COSTA BARROS RYAN SANTOS DOS REIS THIAGO SANTOS DE ANDRADE TURMA: EB1A30
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