a energia nossa de cada dia: de onde ela vem e para onde vamos

A energia
nossa de cada
dia: de onde ela
vem e para onde
vamos com ela
Tesla, o mestre dos raios
PROFESSORES
Felipe Damásio Física
Maurício Dalpiaz Melo Geografia
Sinopse do Programa
Nikola Tesla foi o físico visionário que no final do
século XIX ousou pensar diferente e revolucionou
a maneira como a energia elétrica era produzida
e distribuída. Foi a partir da biografia de Tesla
que os professores Felipe Damásio (Física) e
Maurício Dalpiaz (Geografia) do Instituto Federal
de Santa Catarina, campus Araranguá, desenvolveram um trabalho interdisciplinar onde os
alunos pesquisam as diferentes formas de gerar
energia, analisam seus impactos socioambientais e propõem matrizes energéticas para países
aparentemente fictícios. Foi com esse projeto que
os professores participaram da campanha Minha
ideia dá um Sala e foram selecionados para participar do programa “Sala de Professor Especial”.
Apresentação
Um dos grandes focos do documentário é a geração de energia elétrica e a busca de Tesla por
uma fonte inesgotável deste tipo de energia,
ótima oportunidade para o professor de Física
desenvolver seus conteúdos em parceria com
o de Geografia. O professor de Física poderá
abordar a produção da energia elétrica, enquanto o de Geografia, os impactos ambientais
causados pela implantação das usinas geradoras de energia, com um olhar para a matriz
energética do Brasil.
Um olhar para o documentário
a partir da física
O documentário relata a vida e a obra de uma
das maiores personalidades da ciência nos últimos 200 anos, Nikola Tesla. Ele traz desde o seu
nascimento na Europa eslava, até a sua vida nos
Estados Unidos, passando pela sua fascinação
precoce pela eletricidade, contribuições relevantes
para esta área. Seu nome foi, inclusive, usado para
batizar a unidade de campo magnético. Um dos
grandes focos do documentário é a geração de
energia elétrica e a busca de Tesla por uma fonte inesgotável deste tipo de energia. Outro ponto
bastante explorado no filme é o fascínio de Tesla
pelas cataratas do Niágara e como suas águas
poderiam gerar energia elétrica, o que é realizado
atualmente pelas usinas hidrelétricas.
Sugerimos que a atividade seja iniciada com a construção de um motor elétrico (os materiais e o passo
a passo também estão disponíveis em: portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=19588).
Motor Elétrico Simples
materiais
1
2
3
4
5
1) Uma pilha de 1.5V; 2) um imã circular pequeno;
3) um parafuso; 4) um fio elétrico com cerca de 10cm;
5) fita isolante.
montagem
1
3
4
2
1. Com a fita isolante, prenda uma extremidade do fio
ao pólo negativo da pilha;
2. Coloque a cabeça do parafuso sobre o imã;
3. Com o pólo positivo da pilha para baixo, toque a
parte superior do parafuso, que fica unido à pilha;
Nikola Tesla (1856–1943).
O professor de Física poderá utilizar o documentário como ponto de partida para a discussão e
desenvolvimento de conteúdos como energia elétrica e indução eletromagnética. Propomos uma
sequência de atividades que podem ser realizadas
com alunos do 3° ano do Ensino Médio, pois é com
estes alunos que o tema da eletricidade e magnetismo é tradicionalmentte trabalhado. No entanto,
cabe ao professor avaliar se tais atividades podem
ser adequadas a alunos mais jovens.
sala de professor
4. Lenvate tudo da superfície e encoste a outra extremidade do fio no imã. O parafuso deve começar a girar.
explicação
Ao tocar o imã com o fio o circuito elétrico é fechado. A
corrente elétrica segue o caminho: pólo positivo da pilha,
parafuso, imã, filo e pólo negativo da pilha.
A corrente que circula pelo imã, o parafudo para o fio experimenta uma força magnética perpendicular a direção da
corrente que e faz com que o conjunto parafuso-imã gire.
tesla, o mestre dos raios
3
Em um segundo momento, propõe-se discutir
a geração de energia elétrica pela indução eletromagnética por meio de um experimento que
demonstre a variação do campo magnético para
criar a corrente elétrica. Os materiais utilizados
para esse experimento são simples e toda sua
discussão está detalhada em: <portaldoprofessor.
mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=17560>.
montagem
1
2
3
4
Experimento de Oersted
materiais
1. Faça duas bobinas enrolando o fio desencapado em
dois dedos;
2. Ligue cada extremidade do fio paralelo a uma das bobinas;
3. Coloque a bússola dentro de uma das bobinas;
Imã
Fio elétrico
desencapado
Fio elétrico
paralelo encapado
(cerca de 1m)
bússola
4. Na outra bobina, movimento o imã para cima e para baixo. O movimento vai gerar um campo magnético e criar
uma corrente de energia induzida que vai percorrer o fio
e interagir com a bússola na outra extremidade.
Em um terceiro momento, sugerimos que seja dada a explicação do funcionamento das usinas térmicas
(como termelétricas e termonucleares) pela construção de uma máquina térmica com materiais simples.
usina termelétrica
usina termonuclear
Eletricidade
Eletricidade
Turbina
A queima de
carvão, diesel
ou gás gera
energia térmica (calor).
A água da
caldeira é
aquecida e
gera vapor.
A fissão dos
núcleos de
urânio no reator
gera energia
térmica (calor).
O vapor
pressurisado gira a
turbina que move
o gerador e produz
energia elétrica.
A partir dos experimentos, toda a exposição dos
conceitos envolvidos para a explicação da geração
e distribuição de energia elétrica é realizada. Para
tanto, recomendamos que se utilize o princípio
4
Turbina
Gerador
A água da
caldeira é
aquecida e
gera vapor.
Gerador
O vapor
pressurisado gira a
turbina que move
o gerador e produz
energia elétrica.
da diferenciação progressiva de Ausubel, ou seja,
comece com os conceitos mais gerais e só então
explique os mais específicos (Moreira, 1999).
tesla, o mestre dos raios
sala de professor
Para se discorrer sobre a unificação da eletricidade com o magnetismo, sugerimos a explicação do
experimento clássico de Oersted, de 1820. Neste
experimento fica claro que é possível gerar magnetismo (campo magnético capaz de girar um ímã) a
partir de eletricidade (corrente elétrica).
A seguir, sugerimos a discussão de como, em 1831,
Faraday mostrou que é possível induzir uma corrente elétrica a partir de um campo magnético (Lei de
Indução de Faraday). Uma plataforma acessível e
muito útil para explorar estes conceitos é a chamada
“Faraday, eis o cara!”, que conta com animações,
explicações teóricas e contextualização histórica. O
material está disponível no endereço <portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=25545>.
Outro ponto a ser abordado trata do papel da indução
eletromagnética para a geração da energia elétrica
pelas usinas hidrelétricas, termelétricas, termonucleares e eólicas. Para isso, sugerimos a discussão
sobre o funcionamento de uma usina hidrelétrica,
que pode ser realizada pela construção de maquetes
ou por simulações que podem ser encontradas na internet: <objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/
handle/mec/14895/hidreletrica.swf?sequence=1>.
usina hidrelétrica
Água represada
Gerador
Água desce com
força da gravidade.
Para encerrar o assunto, propomos a discussão de
formas alternativas para obtenção de energia elétrica sem utilização de indução eletromagnética, como
é o caso da energia solar. O processo de produção
desse tipo de energia se dá por placas solares para
aquecer água ou para gerar eletricidade.
ETAPAS
Exibição do documentário;
Realização dos experimentos sugeridos;
Discussão dos resultados dos experimentos;
Exposição teórica.
sala de professor
Turbina
Eletricidade
Água gira turbina que move gerador e produz energia elétrica.
MATERIAL
Computador com acesso à internet.
veja mais
Experimento de Oersted. Disponível em: <portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=36730>;
Coletor solar térmico. Disponível em: <portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=24122>;
Painel solar fotovoltaico: <portaldoprofessor.mec.
gov.br/fichaTecnica.html?id=24123>.
tesla, o mestre dos raios
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Um olhar para o documentário
a partir da geografia
As aulas de Geografia estão ligadas aos conteúdos
discutidos nas aulas de Física. Ao mesmo tempo
em que ocorre a discussão dos assuntos do documentário nas aulas de Física, ocorrerá uma análise
dos impactos ambientais de cada um dos tipos de
geração de energia nas aulas de Geografia. Toda a
abordagem do professor de Geografia deverá ser
feita de maneira imparcial, sem defender ou criticar
uma forma de geração em especial.
Para iniciar a proposta, sugerimos o estabelecimento da relação entre geração de energia elétrica
e aquecimento global. Para tanto, o professor poderá desenvolver conteúdos como: efeito estufa,
combustíveis fósseis e recursos renováveis.
Após breve explanação sobre essa relação, o
professor poderá discutir as vantangens e desvantagens de cada uma das opções de geração de
energia elétrica utilizadas na aula de Física.
usinas hidrelétricas
usinas termelétricas
vantagens
desvantagens
vantagens
desvantagens
Alta eficiência
(cerca de 95%).
Elevado valor de transmissão até os centros urbanos.
Ocupação de área
relativamente pequena.
Alto preço
do combustível.
Custo nulo de combustível.
Emissão de metano.
Produção energética
elevada garantida pela
grande quantidade de rios
presentes no Brasil.
Grande impacto socioambiental devido às
inundações geradas pela
construção das barragens.
Pequeno custo
de transmissão.
Poluição do ar.
Não dependência
de fatores climáticos.
Emissão de gases estufa.
Vale lembrar que os rios de planalto são mais aptos
à produção de energia por hidrelétricas, bem como
climas úmidos favorecem a formação de rios perenes.
Ressalte que a disponibilidade e o tamanho das reservas de combustiveis fósseis é primordial para definir
a viabilidade de investimento nessa matriz energética.
usinas eólicas
usinas solar
vantagens
desvantagens
vantagens
desvantagens
Fonte inesgotável
de energia.
Necessitadade
de vento forte.
Produção de
energia limpa.
Dependência
da insolação.
Instalação em
locais isolados.
Produção de poluição
visual e sonora.
Não poluição do ar.
Interferência nos hábitos
de pássaros migratórios.
Instalação das
placas de captação
em locais isolados.
Não produção
de energia no
período noturno.
Manuntenção
de baixo custo.
Elevado custo
da instalação das
placas de captação.
A frequência dos ventos é um dado
primordial que precisará ser analisado, definindo
a viabilidade nos investimentos em energia eólica.
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tesla, o mestre dos raios
sala de professor
usinas termonucleares
vantagens
desvantagens
Reservas energéticas maiores
que as dos combustíveis fósseis.
Produção
de lixo nuclear.
Instalação em áreas reduzidas.
Possibilidade
de acidentes.
Possibilidade de independência
energética para países sem
combustíveis fósseis.
Não emissão de gases estufa.
MATERIAL
Computador com acesso à internet;
Dispositivo para apresentação do tipo data show.
ETAPAS
Exibição do documentário;
Exibição dos recursos sugeridos ao longo do texto;
Discussão tos temas sugeridos com os alunos.
sala de professor
Poderá ser explorado pelo professor, por meio de
saídas a campo, algum tipo de geração de energia
próximo de sua escola, como usinas hidrelétricas,
termelétricas ou eólicas. Os impactos causados
indiretamente por elas também podem ser discutidos, como o impacto ambiental e social causado
pela exploração de carvão mineral ou pela contrução de barragens.
Após a discussão feita nas aulas de Física e Geografia, os consultores esperam que os alunos estejam
preparados para a segunda fase do projeto.
veja mais
Portal do Professor do MEC. A física e o cotidiano – Fique sabendo! – Geração de energia
elétrica. Disponível em: <portaldoprofessor.mec.
gov.br/fichaTecnica.html?id=33222>;
Portal do Professor do MEC. Efeito Estufa.
Disponível em: <portaldoprofessor.mec.gov.br/
fichaTecnica.html?id=12645>;
Portal do Professor do MEC. Combustíveis
fósseis. Disponível em: <portaldoprofessor.mec.
gov.br/fichaTecnica.html?id=28335]>;
Portal do Professor do MEC. Energia nuclear
e impacto ambiental – Geração de energia.
Disponível em: <portaldoprofessor.mec.gov.br/
fichaTecnica.html?id=35675>.
tesla, o mestre dos raios
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UMA CONVERSA
ENTRE AS DISCIPLINAS
Na segunda fase do projeto será organizada uma assembleia com países fictícios. Este recurso usa uma
espécie de julgamento que, de acordo com “Guerra
e Outros” (2002), se mostra uma atividade pertinente
para que os adolescentes dediquem tempo à leitura
e à reflexão sobre o assunto que pretendem debater.
Formação das comissões
A atividade aqui proposta é pouco usual em aulas de
Educação Básica: a simulação de uma assembleia
de países fictícios: Teslaquistão do Sul, Teslaquistão do Norte, Teslaquistão do Leste e Teslaquistão
do Oeste. O objetivo é analisar as potencialidades
energéticas, ou seja, os recursos naturais e econômicos disponíveis em cada país fictício que servirão
de base para a definição da matriz energética. Para
isso, serão utilizados os dados da base física (natural) e econômica de quatro estados brasileiros, que
poderão ser escolhidos a critério dos professores.
É interessante não revelar aos membros da assembleia quais estados foram utilizados como base na
pesquisa, pois isso poderia influenciar no resultado
da votação. A assembleia deve tomar uma decisão
importante: em que tipo de matriz de geração de
energia elétrica seu governo deve investir? Deverão
analisar as potencialidades energéticas de cada
país fictício, bem como questões de viabilidade
econômica e o impacto ambiental e social.
A assembleia deve ser formada por convidados de
fora da turma. Sugerimos outros professores, alunos
de outras turmas ou mesmo pais e responsáveis por
alunos. Estes membros serão convidados a participar da atividade no dia de encerramento do projeto.
A assembleia deve ser realizada na própria turma em
que as aulas de Física e Geografia foram ministradas.
Assim, o material necessário para a sua formação
são as próprias mesas e cadeiras da sala de aula.
Porém, se assim interessar aos professores e direção
da escola, ela poderá ser realizada no auditório do
colégio, como um evento do calendário escolar.
São sugeridas quatro comissões formadas aleatoriamente por alunos da turma, escolhidos por meio
de sorteio. Cada uma destas comissões formadas
deverá defender uma matriz energética para cada
país fictício, lembrando que a adoção de uma matriz
energética não significa, necessariamente, a utilização de apenas uma fonte de energia.
Preparação e realização da assembleia
As comissões deverão ter nome, presidente, relator
e membros. Um relatório deverá ser entregue previamente aos membros da assembleia com duas
páginas por cada comissão. Este relatório ficará sob
a responsabilidade do relator, mas todos os membros
deverão participar da sua elaboração. Nesse relatório
a comissão deverá expor os pontos fortes da matriz
energética escolhida para seu país fictício. Além disso, os alunos membros das comissões devem estar
preparados para os possíveis questionamentos dos
membros da assembleia sobre a escolha do grupo.
Os relatórios podem ser publicados na internet, em
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blogues e nas redes sociais, de forma que pessoas
de outras cidades possam interagir com os alunos
participantes do projeto.
Ao final das arguições e do debate, os membros
da assembleia discutirão entre eles sobre suas
impressões. Após as manifestações dos membros
da assembleia, uma votação deverá ser realizada.
O resultado será divulgado a todos os alunos membros das comissões e da assembleia, e também
serão revelados quais estados foram utilizados
como base de dados para a realização do projeto.
tesla, o mestre dos raios
sala de professor
Avaliação das atividades
A avaliação da atividade, desde a exibição do
documentário até a realização da assembleia, não
deve ser realizada com estratégias tradicionais,
como provas escritas. Um dos instrumentos de
avaliação será um relatório de no máximo duas
páginas, que o relator da comissão entregará previamente aos membros da assembleia. Por meio
da avaliação desse documento, a comissão manifestará seus argumentos para adotar determinada
matriz energética.
O desempenho dos alunos durante as arguições
e debates será outra fonte rica para analisar como
os alunos receberam e transformaram os conhecimentos discutidos em sala de aula e como
buscaram novas fontes de informações para desempenhar suas tarefas nas comissões.
No entanto, os professores de Física e Geografia
devem ressaltar que o resultado da votação da
assembleia não tem importância alguma na avaliação das atividades e dos alunos participantes. Eles
devem demonstrar que os alunos deixaram de ser
receptores de conhecimento para tornarem-se produtores. Não são mais cidadãos passivos e passíveis
de ter sua opinião formada por fontes questionáveis
– passaram a ser formadores de opinião.
O ensino deixará de ser “bancário”, como descrito
por Paulo Freire, para ser um ensino problematizador
(Freire, 2004). As aulas deixarão de ser dissertativas,
e as atividades como um todo terão a oportunidade
de alcançar a sugestão de Paulo Freire de o aluno
“dar a volta por cima e superar o autoritarismo e o
erro epistemológico do ‘bancarismo’” (2004, p. 25).
O relato de uma experiência com a atividade sugerida
Para a realização da assembleia ficou definido que o Teslaquistão do Sul seria o estado do Rio Grande do
Sul; o Teslaquistão do Leste, Minas Gerais; o Teslaquistão do Oeste seria representado por Mato Grosso; e
o Ceará seria o Teslaquistão do Norte.
Teslaquistão do sul
Teslaquistão do Oeste
Latitude 27˚05’ Sul – 33˚45’ Sul;
Rico em bacias hidrográficas;
Grande reserva de carvão mineral;
Fortes ventos;
Insolação média anual baixa.
Latitude 7˚20”5 Sul – 18˚2’ Sul;
Bacia com potencial hidrelétrico;
Sem reserva de carvão mineral ou outro tipo de
minério;
Baixo índice de ventos;
Insolação média anual baixa.
Matriz energética recomendável:
60% hidráulica, 30% eólica e
10% termelétrica à carvão (suporte).
Matriz energética recomendável:
Hidráulica e termelétrica a gás natural – importação.
Teslaquistão do Norte
Teslaquistão do Leste
Latitude 2˚46’ Sul – 7˚52’ Sul;
Não há potencial hidrelétrico;
Sem reserva de carvão mineral;
Reservas de carvão vegetal;
Possui reservas de urânio;
Fortes ventos, já possui 14 parques eólicos;
Insolação média anual alta.
Latitude 14˚33’ Sul – 22˚57’ Sul;
Reservas de urânio;
Sem reserva de carvão mineral;
Fortes ventos;
Insolação média anual baixa.
Matriz energética recomendável:
Eólica, solar e termonuclear.
sala de professor
Matriz energética recomendável:
Hidráulica e eólica.
tesla, o mestre dos raios
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A escolha desses estados pelos professores foi
proposital, pois o Rio Grande do Sul possui uma
grande reserva de carvão mineral que pode ser
utilizada como fonte de energia, porém causa
sérios problemas ambientais. Minas Gerais possui bom potencial para várias fontes de energia,
Mato Grosso possui um pequeno potencial em
praticamente todas as fontes, e o Ceará apresenta
um potencial de utilização de energia limpa muito
grande, com grande potencial eólico e solar.
No trabalho de pesquisa dos grupos para definição do potencial energético de cada país fictício,
uma fonte de dados foi de suma importância: o
atlas nacional da energia elétrica produzido pela
ANEEL sobre a potencialidade de geração de
energia elétrica de todo o país. Esse atlas possui
mapas e gráficos com informações relevantes
sobre as potencialidades das fontes de energia.
Durante a realização da assembleia os grupos entregaram uma cópia do relatório para cada membro
da assembleia. Eles fizeram a defesa da matriz
energética a ser utilizada em seu país trazendo
dados atuais de consumo de energia elétrica do
estado escolhido e quais fontes de energia deveriam ser utilizadas para suprir essa demanda. Por
exemplo, o grupo que ficou com o estado do Rio
Grande do Sul sugeriu que 60% da energia seria
produzida em hidrelétricas, 30% em parques
eólicos e o restante em termelétricas movidas
a carvão mineral. A escolha foi devido às grandes
reservas desse mineral, que serviria para situações
de emergência ou suporte em caso de problemas
na geração de energia por outras fontes.
Durante os debates, membros da assembleia
faziam perguntas aos membros das comissões
e sugeriam outras matrizes energéticas para os
países fictícios. Essas sugestões eram acolhidas
e incorporadas na votação final sobre qual matriz
energética deveria ser adotada. Ao final são revelados quais estados serviram de base física para
a pesquisa dos grupos.
SUGESTÕES DE LEITURA E OUTROS RECURSOS
Livros e Revistas
FREIRE, P. Pedagogia da autonomia – saberes necessários à prática educativa. São Paulo: Paz e Terra, 2004.
GASPAR, A. Experiências de ciências para o ensino fundamental. São Paulo: Ática, 2005.
GUERRA, A.; REIS, J.C.; BRAGA, M. Julgamento no Ensino Médio. A Física na escola, São Paulo, v. 3, n.1, 2002.
MOREIRA, M. A. Aprendizagem significativa. Brasília: UnB, 1999.
SAGAN, C. O mundo assombrado por demônios – a ciência vista como uma vela no escuro. São Paulo: Companhia
das Letras, 1996.
passeios e visita
Museu de Ciência e Tecnologia – PUC-RS. Mais informações: <www.pucrs.br/mct>.
Museu Catavento Cultural e Educacional. Mais informações: <www.cataventocultural.org.br>.
Parque Viva a Ciência - UFSC. Mais informações: <www.vivaciencia.ufsc.br>
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tesla, o mestre dos raios
sala de professor
sites e outros recursos
Atlas de Energia Elétrica do Brasil. 2ª. ed., Brasília: ANEEL, 2005, 243 p. Disponível em: <www.aneel.gov.br/aplicacoes/
Atlas/download.htm>. Acesso em: 05 fev. 2013.
Universidade do Colorado. PhET – Simulações interativas de Ciências. Disponível em <phet.colorado.edu/pt_BR>.
Acesso em: 05 fev. 2013.
Sociedade Brasileira de Física. Píon – Ligado na Física! Disponível em <pion.sbfisica.org.br/pdc>. Acesso em: 05 fev. 2013.
Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Centro de Referência para o Ensino de Física. Disponível em <www.if.ufrgs.br/
cref>. Acesso em: 05 fev. 2013.
filmes e documentários
COSMOS – uma viagem pessoal. Direção: Adrian Malone. Produção: Ann Dryan. Intérprete: Carl Sagan. BBC, 1980. 60 min.,
13 episódios.
Nikola Tesla – mestre dos raios. Disponível em: <www.youtube.com/watch?v=gwcmbOtLRXQ>
Uma verdade inconveniente. Direção: Davis Guggenheim. Produção: Davis Guggenheim e Scott Z. Burns. Intérpretes:
Al Gore; Billy West e Charles Berling. Roteiro: Davis Guggenheim. Paramount Pictures, 2006. 1 DVD (100 min.).
sala de professor
tesla, o mestre dos raios
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FOTO
Um documentário da TV Escola. Um ponto
de partida para grandes trabalhos com os
alunos. Assim é o Sala de Pofessor. O programa incentiva os professores de Ensino Médio
a desenvolverem projetos que mudem a rotina em sala de aula. Em cada programa, dois
professores convidados criam um projeto a
partir de documentários exibidos na TV Escola. São sempre propostas e experimentos
inovadores, que podem ser reaplicados em
qualquer escola do país.
Os trabalhos apresentados são detalhados
em dicas pedagógicas como essa e ficam
disponíveis no site da TV Escola. Os professores também podem usar as artes criadas
para o programa: são animações, tabelas,
mapas e infográficos que tornam os conteúdos mais visuais e interativos. As dicas
pedagógicas e as computações gráficas foram transformadas em fascículos interativos
para tablets. E o professor também pode
navegar pelo material extra do programa no
blog do Sala. Para ter acesso a esses produtos, acesse o site tvescola.mec.gov.br ou
curta a fan page da TV Escola no Facebook.
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