Eletricidade: da geração à distribuição; aspectos históricos e proposta didática para o ensino

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DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/fisica/eletricidade
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ARTIGO ORIGINAL

FERREIRA, Ritiele Cássia de Almeida [1] , PAIVA, Edinei Canuto [2] , DOURADO, Lara Fernanda Nunes [3]

FERREIRA, Ritiele Cássia de Almeida PAIVA, Edinei Canuto, DOURADO, Lara Fernanda Nunes. Eletricidade: da geração à distribuição; aspectos históricos e proposta didática para o ensino. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 04, Ed. 03, Vol. 04, pp. 51-102. Março de 2019. ISSN: 2448-0959.

RESUMO

A Física está relacionada às necessidades básicas dos seres humanos, saúde, moradia, alimentação, transporte entre outros. No entanto verifica-se há um tempo que a disciplina de física apresenta um dos maiores índices de reprovação nas escolas. Sendo esta percebida por muitos educandos como: muito difícil, abstrata, além de não relacionar-se com o cotidiano. Contudo esta percepção é atribuída por diversos pesquisadores ao método de ensino tradicional empregado pelas escolas, que destaca com maior intensidade a memorização de fatos, fórmulas, símbolos, teorias e modelos sem propiciar ao aluno a contextualização dos conteúdos, além de não preocupar-se em explorar os contextos em que as leis e teorias foram propostas, gerando assim a dogmatização do conhecimento científico. Diante disso objetiva-se nesta pesquisa compreender o processo de desenvolvimento desde os primórdios da eletricidade até sua aplicação prática em escala comercial, a fim de produzir uma proposta de material didático-experimental adequado que possa ser utilizado no ensino médio ou em cursos superiores. Para tanto se desenvolveu um trabalho de revisão bibliográfica em literatura especializada, verificou-se a importância na abordagem do ensino de física, adotando as estratégias da experimentação e o estudo histórico da ciência, elaborando por fim uma proposta de material didático-experimental referente aos processos desde a geração a distribuição da eletricidade, enfatizando seu contexto histórico e social, possibilitando com isso promover o debate, a investigação, relacionando o conhecimento físico à vida cotidiana, facilitando assim a compreensão do conteúdo estudado.

Palavras-chave: eletricidade, experimentação, ensino e aprendizagem de física.

1. INTRODUÇÃO

Tem sido diagnosticado há muitos anos as dificuldades existentes no ensino de física. Dentre elas podemos destacar o desencanto dos alunos em relação à disciplina, percebendo-a como muito difícil, abstrata e sem vínculo com o cotidiano, acarretando assim altos índices de reprovação. Porém essa concepção deve-se ao modelo de ensino tradicional empregado pelas escolas, que enfatizam com maior veemência a memorização de fatos, fórmulas, símbolos, teorias e modelos que parecem não ter quaisquer relações entre si, além de não preocupar-se em explorar os contextos em que as leis e teorias foram propostas, contribuindo assim para uma dogmatização do conhecimento científico (Martins, 2006; Bonadiman, 2004).

Diante deste problema, têm sido expressadas propostas que conduzam ao desenvolvimento de um ensino de física, que contribua para a formação de um cidadão consciente, atualizado e participativo na realidade do meio que convive. Assim esse trabalho tem como objetivo compreender o processo de desenvolvimento desde os primórdios da eletricidade até sua aplicação prática em escala comercial, a fim de produzir uma proposta de material didático-experimental adequado que possa ser utilizado no ensino médio ou em cursos superiores. Para isso foram selecionados os seguintes objetivos específicos: Pesquisar em literatura especializada, a fim de identificar as origens e o processo de desenvolvimento dos conceitos relacionados à eletricidade; identificar a importância da experimentação aliada à história da ciência como estratégia, viabilizadora de conhecimentos expressivos e consistentes no ensino de Física; Construir uma maquete envolvendo os processos desde a geração a distribuição da eletricidade e elaborar um material didático para estudo de tal experimento.

2. OS PRIMÓRDIOS DA ELETRICIDADE ESTÁTICA

2.1 AS PRIMEIRAS DESCOBERTAS DOS FENÔMENOS ELÉTRICOS

De acordo com a Arqueologia, o homem faz observação de fenômenos naturais desde os tempos pré-históricos, porém demorou muito para registrar esse conjunto de ocorrências e somente mais tarde e que se iniciou a busca por explicações racionais. No estudo da eletricidade foi constatada a existência de fenômenos particulares muito antes da Idade Antiga, porém somente neste período é que esses fenômenos começaram a ser pesquisados, e analisados na busca de evidências que explicasse a ocorrência destes.

Segundo Luz e Álvares (2000), os primeiros fenômenos elétricos foram observados pelos gregos, na Antiguidade. O matemático e filósofo Thales de Mileto no século VI a. C. foi quem observou que um pedaço de âmbar, uma resina fóssil, após ser atritado com uma pele de animal, passava a adquirir a propriedade de atrair corpos leves. Ao observar este fenômeno, Thales na tentativa de explica-lo por meio do pensamento filosófico, atribuiu às substâncias capazes de eletrizar terem uma alma, e esta por sua vez atraiam os pedaços de matéria inanimada. Verifica-se que a primeira tentativa de explicar a eletrização por atrito é muito antiga, no entanto os fenômenos relacionados à eletricidade ficaram esquecidos por vários anos, devido à falta de aplicação prática.

Somente cerca de 2000 anos mais tarde vários estudiosos começaram a fazer observações mais sistematizadas a respeito dos fenômenos elétricos. Nesse contexto pode-se destacar: o médico inglês William Gilbert, que retomando as observações de Thales verificou que não era apenas o âmbar que possuía a propriedade de atrair corpos, sendo eles leve ou não. Esta constatação foi obtida por meio de um aparelho muito sensível, construído por Gilbert denominado versorium, usando este aparelho ele pode verificar a existência de forças elétricas de outros objetos como o diamante, safira, opala, ametista, cristal entre outros, como descreve a sua obra De magnete. Para explicar esta atração, Gilbert utilizou a hipótese do eflúvio, um fato interessante é que apesar das experiências de Gilbert serem realizadas com muito cuidado e por diversas vezes, ele não observou a repulsão dos corpos eletrizados, isto só foi observado pelo físico alemão Otto von Guericke, quando este reproduzia as experiências de Gilbert. Tal fato permitiu-o constatar que quando os corpos são eletrizados por atrito, eles podem atrair ou repelir outros corpos. A fim de observar melhor este fenômeno Guericke construiu um aparato constituído de uma grande esfera de enxofre que podia ser movimentada por uma manivela, sendo esta a primeira máquina eletrostática a ser construída; com isto ele também pode perceber que a “eletricidade” podia passar de um corpo para outro através do contato, no entanto ele não buscou explicações para este fenômeno, pois acreditava que este comportamento era natural, devido às virtudes existentes no corpo. (TORRES, FERRARO e SOARES, 2010).

Figura 1 – Máquina eletrostática de Von Guericke. Fonte: ASSIS, 2010, p. 68.

Conforme foi descrito no decorrer deste subcapítulo, ao longo dos anos houve várias descobertas relacionadas aos fenômenos elétricos, no entanto não foi formulada nenhuma explicação para estes fenômenos. Só a partir da descoberta dos materiais condutores e isolantes que isto aconteceu.

2.2 AS PRIMEIRAS EXPLICAÇÕES DOS FENÔMENOS ELÉTRICOS

Com a continuidade dos estudos relacionados aos fenômenos elétricos, Gaspar (2003) lembra a descoberta realizada por Stephen Gray em 1730 sobre a condutividade dos materiais. Ele percebeu ao friccionar um tubo de vidro fechado com duas rolhas de cortiça, que ambos tinham a capacidade de atrair pequenas penas. Dando continuidade a suas experiências ele adapta à rolha utilizando o barbante outros materiais como um pequeno tronco de madeira com uma bola de marfim na ponta, filamentos de metal ou cordéis, e verificou que todos eles atraiam os pequenos corpos leves que eram colocados na sua proximidade, porém ele notou que se fosse utilizado para efetuar essa conexão um fio metálico o fenômeno da atração não era constatado. Deste modo ele classificou os materiais denominando aqueles que conduziam melhor a eletricidade de condutores, ao contrário de outros que não conduziam, ou conduziam mal a eletricidade, dando-lhes o nome de isolantes. Estas observações serviram de embasamento para o surgimento da ideia de que a eletricidade era um fluido que podia passar de um corpo para outro (SILVA e PIMENTEL, 2008). Neste contexto, vale ressaltar as propostas de Charles Dufay que teve importante papel na explicação do fenômeno da atração e repulsão, ele ao realizar várias experiências verificou que havia dois comportamentos para os materiais, uns comportavam-se como o vidro, e outros como a resina, propondo assim dois tipos de eletricidade: uma eletricidade vítrea e uma eletricidade resinosa. Whittaker cita as percepções de Dufay sobre o fenômeno de atração e repulsão:

[…] that there are two electricities of a totally different nature namely, that of transparent solids, such as glass, crystal, &c., and that of bituminous or resinous bodies, such as amber, copal, sealing-wax, &c. Each of them repels bodies which have contracted an electricity of the same nature as its own, and attracts those whose electricity is of the contrary nature. We see even that bodies which are not themselves electrics can acquire either of these electricities and that then their effects are similar to those of the bodies which have communicated it to them (1973, p. 40).

Tal fato lançou a ideia do fluido vítreo e do fluido resinoso, assim a eletricidade contida em um corpo era aquela que este possuísse em excesso, e esta nova hipótese obteve grande aceitação durante todo o século XVIII.

Figura 2- Representação da repulsão e da atração entre corpos eletrizados.
Fonte: TORRES, FERRARO E SOARES, 2010, p. 14.

Conforme afirmam Silva e Pimentel (2008), os estudos de Dufay foram continuados pelo francês Jean- Antoine Nollet. Ele criou vários experimentos para exibir e demonstrar os efeitos elétricos, propondo com isso novas explicações para os fenômenos observados, e tais elucidações foram aceitas em todos os países da Europa. Para esclarecer os fenômenos elétricos Nollet, utilizou a ideia do movimento, em que as duas correntes de fluido elétrico, se moveriam em direções opostas. Segundo Nollet, quando atritamos um corpo, o seu fluido escapa causando uma corrente efluente, esta perda, contudo é restituída por uma corrente afluente do mesmo fluido vindo de fora. Este sistema predominou por algum tempo, no entanto quando Benjamin Franklin apresenta em seu livro uma explicação totalmente diferente, acerca dos fenômenos elétricos as ideias de Nollet são abandonadas, e atualmente ele nem sequer é lembrado.

Luz e Álvares (2000) e Gaspar (2003) afirmam que no decorrer do século XVIII, a Europa vivia uma época em que a sociedade rica, não importava com os princípios religiosos, e buscavam uma boa aparência e diversão. Neste contexto os fenômenos elétricos fizeram muito sucesso, um dos fenômenos que se tornou moda foram o choque e o beijo elétrico, assim várias pessoas realizavam diversos espetáculos até mesmo em praças públicas. Benjamin Franklin ao observar um destes espetáculos interessou-se pelos fenômenos elétricos e a partir daí começou os seus estudos, desenvolvendo o conceito de fluido único. Esta idéia de fluido único de Franklin baseou-se na proposta de que os corpos eram formados pela matéria comum e a matéria elétrica, e era essa matéria elétrica, também chamada de fogo elétrico que tornava o corpo capaz de atrair ou repelir outros corpos. Sendo assim Franklin explicou que quando atritamos um corpo ao outro, a eletrização dá-se pelo acúmulo de fluido por um dos corpos, ao passo que o outro perderia esse fluido. Tendo estabelecido que o corpo que recebia o fluido era chamado de positivo e o que perdia de negativo.

Portanto, é interessante destacar que a teoria de fluido único de Franklin, está parcialmente correta, em relação às ideias atuais sobre o processo de eletrização por atrito. Atualmente sabemos que de fato há uma transferência de cargas elétricas entre os corpos atritados, no entanto essa troca de cargas é efetuada pela passagem de elétrons de um corpo para outro e não devido à troca de fluidos como afirmava Franklin. Entretanto só foi possível explicar corretamente o processo de eletrização, no início do século XX, depois da descoberta dos elétrons.

Portanto com a evolução do modelo atômico, sabemos hoje que os elétrons que se encontra nas camadas eletrônicas mais afastadas do núcleo podem movimentar-se de um corpo para outro. Assim podemos explicar os diversos processos de eletrização.

3. O DESENVOLVIMENTO DA ELETRICIDADE DURANTE O SÉCULO XVIII

Segundo afirma Tolentino e Rocha-Filho (2000) e ainda Germano, Lima e Silva (2012) durante o século XVIII, os estudos relacionados à eletricidade tornaram-se mais sistematizados, e para isso vários aparatos experimentais foram construídos, dentre eles podemos destacar as maquinas eletrostáticas construídas baseadas na máquina da Von Guericke. Porém não se conseguia com estes equipamentos um fluxo continuo, pois as cargas elétricas geradas por essas máquinas, só produziam apenas faíscas intensas, ou podiam fluir por pontas metálicas, e ainda serem armazenadas pelas garrafas de Leyden conhecidas hoje por capacitores.

Nos primórdios da eletricidade não havia aparatos que possibilitava o armazenamento de eletricidade por um longo período. Até o ano de 1800 o único meio de produzir uma corrente elétrica dava-se por meio da descarga da garrafa de Leyden através de um condutor. As primeiras evidências que se tem da garrafa de Leyden data de 1745, quando segundo Rocha (2011), o clérigo E. G. von Kleist e o professor da universidade de Leyden Pieter Van Musschenbroek, produziram quase que concomitantemente tal dispositivo na tentativa de encontrar um meio de reduzir a perda de carga. Neste contexto vale ressaltar que prevalecia a ideia de que os corpos carregados, quando expostos ao ar, perdia sua carga elétrica por meio da evaporação do fluido elétrico. Baseando nessas ideias os estudiosos, realizaram o seguinte experimento: Tamparam com uma rolha uma garrafa de vidro, cheia de agua, espetando em seguida um prego através da tampa, que entrava em contato com a água, em seguida segurando a garrafa com uma das mãos, eletrizou o prego utilizando uma máquina eletrostática; após tal procedimento colocou a garrafa sob uma superfície não isolante, e ao tocar o prego recebeu um grande choque. Após o sucesso de tal experimento, este foi divulgado e muitas pessoas tentaram sem êxito reproduzir tal procedimento, pois segundo relatos ao carregarem a garrafa deixavam-na isolada. No decorrer do tempo à garrafa foi sendo aprimorada, porém tal aparato produzia apenas uma corrente transitória.

Contudo somente após as descobertas de Luigi Galvani e posteriormente a criação da primeira pilha por Alessandro Volta tornou-se possível explicar detalhadamente os fenômenos elétricos observados.

Com a publicação da monografia de Galvani, o novo fenômeno observado tem uma ampla divulgação principalmente nos centros de pesquisa da Europa. Neste contexto o professor de física da Universidade de Pávia Alessandro Giuseppe Anastásio Volta, ao conhecer a experiência de Galvani decidiu reproduzi-la, assim como todos os experimentadores da época. Ao repetir a experiência, Alessandro Volta concordou a princípio com Galvani, acreditando assim que os animais produziam eletricidade. Porém ao aprofundar seus estudos na área, investigando melhor o experimento, Volta propõe uma nova explicação para o fenômeno observado (TOLENTINO e ROCHA-FILHO, 2000).

Segundo Martins (1999), Alessandro Volta ao repetir por diversas vezes fazendo algumas alterações no experimento de Galvani, constatou que não era necessário o contato exatamente com o músculo da rã, pois as contrações ocorriam também quando pontos diversos dos nervos da coxa eram conectados por meio de um arco bimetálico. Ao direcionar sua atenção para a importância do uso de metais diferentes na verificação de tal fenômeno, Volta observa que quando é utilizado no circuito um arco bimetálico, as contrações são mais fortes que as com arco monometálico. Isto serve de base para Volta propor que os metais desempenham não o papel de condutor da eletricidade animal, e sim que a eletricidade vem de uma origem externa, resultante da diferença dos metais que formam o arco, sendo assim são os metais que produzem tal efeito. E a rã, entretanto funcionaria como um detector muito sensível de eletricidade, reagindo tanto a essa eletricidade metálica quanto a qualquer forma de eletricidade. Entretanto, neste período surge uma importante observação feita pelo físico Johann Georg Sulzer. Ele ao colocar sua língua entre dois discos de prata e chumbo percebeu que no contato com as bordas dos discos, sentia se um gosto desconfortável. Volta ao tomar conhecimento de tal experiência, reproduziu-a, depois de fazer alterações incluindo seu globo ocular, ele pode observar que quando era estabelecido o contato elétrico, uma sensação de luz era percebida. Tais fatos serviram para reforçar as hipóteses de Volta de que não era necessário o contato com os músculos, para a ocorrência das contrações, e que os metais eram os próprios geradores da eletricidade. No entanto essas idéias enfrentavam grandes problemas, pois os experimentos que levou Volta a descobrir tal eletricidade (produzida pelo contato entre metais diferentes), utilizavam animais, sendo assim podiam ser interpretados como procedente da eletricidade animal.

Assim surge uma controvérsia entre Volta e Galvani, o ultimo não aceitava a interpretação de Volta, pois havia mostrado que contrações ocorriam, quando estabelecido o contato entre o nervo e o músculo utilizando metais iguais. Indo além, Galvani mostra por volta de 1794, que não era necessário empregar nenhum metal para conseguir a eletricidade, tal hipótese partiu da observação da ocorrência de contrações ao colocar em contato o nervo crural seccionado de uma rã dissecada, com o músculo da perna. Tal experiência, que comprovaria a eletricidade animal, não foi aceita por Volta, pois para ele neste caso as contrações nas pernas das rãs ocorriam devido a um estimulo mecânico. E assim ele procede, na tentativa de descobrir uma evidência que comprovasse suas hipóteses (MARTINS, 2000; TOLENTINO e ROCHA-FILHO, 2000).

De acordo com o esclarecimento de Martins (1999), Volta tentou detectar a eletricidade gerada por metais diferentes por meio de um eletroscópio, porém não obtendo sucesso e partindo da suposição que a tensão elétrica gerada era muito fraca para ser detectada por tal instrumento, ele constrói um sensível aparelho: o eletróforo. Utilizando tal aparato, em 1796, Volta consegue detectar fracas tensões elétricas geradas por condutores diferentes. Porém isso não era suficiente, pois na época ele queria provar que suas ideias estavam bem fundamentadas, e para isso ele busca produzir usando pares metálicos, fortes efeitos elétricos; como resultado desta pesquisa nasce à pilha.

Figura 8 – Reprodução do desenho das pilhas em anexo à carta de Alessandro Volta a Royal. Na Figura 1 é representada a versão denominada por Volta de cadeia de copos. Nas Figuras 2 a 4 são representadas pilhas com números crescentes de discos metálicos. Fonte: TOLENTINO e ROCHA-FILHO, 2000, p. 38.

Conforme relata a carta de Volta enviada a Royal Society, para construção de seu dispositivo ele empilhou discos de prata e de zinco, separado por papelão embebido em solução salina. Volta sugere que também podiam ser utilizados outros metais como: estanho, chumbo e cobre, porém a melhor combinação era a prata e o zinco. Este dispositivo foi construído de modo que os discos inferiores fossem de prata e os discos superiores de zinco, tendo nos terminais destas placas fios ligados para conduzir a eletricidade. Além da pilha, Volta testou um arranjo, colocando lado a lado recipientes de vidro, madeira ou cerâmica, cheios até a metade com uma solução de sal ou com barrela, de modo que tais recipientes fossem conectados por um conjunto de lâminas, cujos terminais eram um de prata, depositada sobre cobre, e o outro de zinco (ou estanho), imerso na próxima vasilha. Na carta de Volta, ele discute apenas os efeitos fisiológicos, pois chamavam mais atenção naquele período. Contudo com a pilha foi possível estudar o comportamento da corrente elétrica e seus efeitos, além de verificar a decomposição das substâncias (CHAGAS, 2000; MAGNAGHI e ASSIS, 2008).

4. OS AVANÇOS DA ELETRICIDADE NO SÉCULO XIX

4.1 BREVE INTRODUÇÃO AO HISTÓRICO DO ELETROMAGNETISMO

Ao longo do século XIX, com a descoberta da pilha por Alessandro Volta toda a produção de eletricidade procedia das reações eletroquímicas, sendo esta grande uma das peças fundamentais para a descoberta que foi o marco deste século: as leis do eletromagnetismo.

Segundo Rocha (2011) até o início do século XIX a eletricidade e o magnetismo desenvolveram-se sem nenhum vínculo, e eram considerados campos distintos. Porém nas duas primeiras décadas deste século, os trabalhos experimentais que buscavam comprovar a relação entre os fenômenos elétricos, térmicos, magnéticos, químicos e ópticos desenvolveu-se consideravelmente. Neste contexto podemos destacar o trabalho de um dos cientistas que defendia a relação existente entre o magnetismo e a eletricidade: Hans Christian Oersted, cuja descoberta resulta na unificação destes campos, dando origem ao ramo da física, chamado eletromagnetismo.

Partindo do conhecimento que a passagem de corrente elétrica em um fio, provocava emissão de luz e aquecimento, o cientista Oersted aprofunda seus estudos realizando experiências, com a finalidade de confirmar suas hipóteses. Como esclarece Alvares e Luz este rigoroso trabalho, obteve sucesso em 1820, quando Oersted, ao montar um circuito elétrico tendo próximo uma agulha magnética, percebeu que:

não havendo corrente no circuito, a agulha magnética se orientava na direção norte-sul […], ao estabelecer uma corrente no circuito, Oersted observou que a agulha magnética se desviava […], interrompendo-se a corrente, a agulha retornava à sua posição inicial, ao longo da direção norte-sul (LUZ e ALVARES, 2000, p.210).

Este fenômeno observado por Oersted, provocou um grande sobressalto na sociedade cientifica, motivando vários cientistas da Europa a investigar as causas de tal acontecimento. De acordo com a visão de Oersted, tal fato devia-se ao movimento em direção oposta da corrente elétrica, que era composta de dois fluxos de cargas (positiva e negativa), no interior dos fios. O consecutivo encontro e separação destas cargas gerava o conflito elétrico. Supondo que este conflito elétrico não restringia ao interior dos fios, sendo existente também no ambiente em volta do fio; Oersted, explica que a deflexão no fio é devido à interação entre o conflito elétrico do exterior deste com os polos magnéticos do imã. Entretanto, sua teoria teve poucos adeptos; apenas seus resultados experimentais foram ligeiramente aceitos pela comunidade científica (CHAIB e ASSIS, 2009).

Um dos estudiosos deste século que também merece destaque é o francês André-Marie Ampère. Em seus trabalhos dedicou-se a química e a matemática, não mostrando interesse nos fenômenos elétricos e magnéticos, até tomar conhecimento em 1820 da experiência de Oersted ao assistir as apresentações de Arago na Academie des Sciences de Paris. Entretanto Ampère ao ver tal apresentação, constata que os trabalhos de Oersted estariam incompletos, dando início a uma pesquisa na tentativa de elucidar a natureza do fenômeno. Ao reproduzir o experimento da imantação da agulha, ele sugere uma nova visão defendendo o princípio de ação e reação entre o fio e o imã. Assim ele explica que os fenômenos observados na experiência de Oersted, ocorrem devido à existência de correntes elétricas no interior da agulha. No entanto para defender tal proposta, Ampere teve que demonstrar empregando somente circuitos elétricos, a capacidade de reproduzir os efeitos de um imã sobre outro e também de um circuito fechado sobre um imã. Sendo estes experimentos publicados em duas partes no volume 15 dos Annales de Chimie et de Physique de 1820 (GUERRA, REIS e BRAGA, 2004).

De acordo com Dias e Martins (2004), outra formidável contribuição para o eletromagnetismo foi à descoberta de Michael Faraday, em 1831 da indução eletromagnética. Sabe-se que no laboratório de Humphry, onde Faraday iniciou sua carreira cientifica desempenhando o papel de auxiliar, ele conheceu vastamente o mundo da ciência, tornando assim um grande experimentador, o que foi de extrema utilidade para o desenvolvimento de seus trabalhos relacionados ao eletromagnetismo. O seu interesse por esse campo iniciou-se em 1821, quando o editor do Annals of Philosophy, Richards Phillips convidou-o a escrever um artigo de revisão acerca do eletromagnetismo. Para desempenhar tal função ele refez várias experiências, além de estudar diversas teorias, propondo assim novos experimentos.

Ao investigar a força magnética, procedente de um fio condutor, utilizando uma agulha imantada, Faraday notou que ao invés dos polos da agulha sofrerem uma atração e uma repulsão, eles tendiam a girar em torno do fio. A partir desta observação ele dedicou notadamente a este assunto, levando-o a publicar um artigo, onde apresentava experimentos que permitisse verificar a rotação de um fio condutor em torno de um imã e também o movimento contrário. Com a publicação deste artigo estabeleceu-se uma comunicação por meio de cartas com Ampère, como resultado deste contato Faraday conheceu o livro: Manuel d’electricité dynamique, escrito por Demonferrand, onde este assegurava que uma corrente elétrica passando por um condutor podia induzir uma corrente constante em outro colocado na vizinhança. Este fato interessou-lhe bastante, iniciando assim os estudos de Faraday relacionados ao fenômeno da indução, e assim ele constrói diversos experimentos na busca de evidências experimentais que explicasse tal fenômeno. Conforme descreve em seus diários, após anos de tentativa o primeiro experimento obtido com sucesso, foi concretizado em 29 de agosto de 1831. Para realização de tal trabalho ele construiu um anel de ferro doce, contendo várias espiras de fio de cobre enroladas ao redor dele, sendo este separado por dois lados: A e B. Sendo assim, foi realizado o seguinte procedimento:

Os dois enrolamentos do lado B foram unidos para formar um único, e sua extremidade foi conectada a um fio de cobre passando sobre uma agulha magnética […]. Deste modo, a agulha ao mover-se indicaria a passagem de uma corrente pelo lado B do anel. Uma das espiras do lado A foi conectada com uma bateria […] e, com a passagem da corrente pelo lado A, vinda da bateria, uma corrente foi detectada no lado B do anel (DIAS e MARTINS, 2004, p.525).

Deste modo foi possível visualizar a magnetização da agulha. Entretanto o efeito encontrado neste experimento não foi de um imã sobre uma corrente, e sim de uma corrente elétrica sobre outra. Após várias reflexões sobre o resultado de seu experimento, Faraday dá continuidade em seus estudos, e ao testar um novo experimento em que ele utilizando um cilindro de ferro e a hélice L, procedia da seguinte forma:

Todos os fios foram unidos em uma única hélice e conectados à hélice indicadora, à distância, pelo fio de cobre, depois o ferro foi colocado entre os pólos da barra magnética, […]. Toda vez que o contato magnético no norte ou sul foi estabelecido ou quebrado, existiu movimento magnético na hélice indicadora. […] Mas, se o contato elétrico (isto é, através do fio de cobre) era quebrado, então as disjunções e contatos não produziram qualquer efeito (FARADAY, apud DIAS e MARTINS, 2004, p. 527).

Por conseguinte, ele finalmente obtém uma corrente elétrica induzida pela ação de um imã e assim e observado o fenômeno da indução pela primeira vez. É importante enfatizar que devido à agregação da eletricidade, com o magnetismo, gerando um novo ramo na ciência, e consequentemente com as descobertas das leis de indução, surgem novas possibilidades e grandes inovações para as indústrias, abrindo as portas para o investimento na produção de eletricidade em maior escala.

4.2 OS PRIMÓRDIOS DAS MÁQUINAS ELÉTRICAS

A construção dos motores elétricos foi o primeiro passo rumo às inovações tecnológicas hoje existentes, que não sequer eram sonhadas no início do século XIX. Com o uso de motores elétricos tornou-se possível revolucionar a indústria, permitindo assim um mundo de facilidades. Porém para consolidação de tal instrumento, vários pesquisadores estiveram envolvidos em tal atividade, e muito teve de ser desenvolvido, aprimorado e experimentado até chegarmos aos motores capazes de gerar eletricidade suficiente para seu uso na indústria.

De acordo com Pomilio (2012), os primeiros motores CC (trabalham com corrente continua), foram construídos aproximadamente em 1831, por Faraday. Ele construiu um gerador, sendo este constituído de um disco de cobre de aproximadamente 30 cm de diâmetro. É importante destacar neste contexto a invenção do inglês Willian Sturgeon, que em 1825 verificou que quando era aplicada uma corrente elétrica a um fio condutor, que envolvia um núcleo de ferro, este se transformava em um imã, tendo sua força interrompida quando a corrente era suspendida, deste modo foi inventada uma peça muito importante na construção de máquinas elétricas girantes: o eletroímã.

Continuando o processo de construção de máquinas, vale realçar a invenção por volta de 1833 pelo cientista W. Ritchie do comutador, peça esta importante nos motores elétricos. O comutador é uma peça fundamental nos motores de corrente contínua, pois eles têm a função de trocar periodicamente o sentido da corrente no rotor de tal modo a garantir que o torque tenha sempre o mesmo sentido, impedindo assim que o rotor fique parado em uma posição de equilíbrio (ALVES, 2003). Mais tarde por volta de 1837 os trabalhos de Thomas Davenport e sua esposa Emily, resultaram na patente de um motor CC já aprimorado. Porém além desses motores rudimentares terem um rendimento baixíssimo, não havia energia suficiente para abastecer tais dispositivos. Entretanto surge em 1873 um meio de minimizar o problema do desperdício da energia, graças à descoberta do dínamo reversível pelo cientista belga Zenobe Grame. Ele foi um dos importantes colaboradores no desenvolvimento das maquinas elétricas, sendo o dínamo o resultado de seus trabalhos inspirado na máquina de Antônio Pacinotti. Conforme cita Souza et al (2010), o equipamento original era constituído de:

[…] um anel maciço de ferro com eixo de rotação vertical ao redor do qual eram enroladas 16 bobinas elétricas regularmente espaçadas por cunhas de madeira […]. As bobinas eram ligadas em série e cada conexão entre duas dessas bobinas era ligada a uma lâmina de um coletor de tensões, localizado na base do eixo vertical de giro do anel. Essa estrutura circular é comumente conhecida como “armadura” ou “anel” de Pacinotti (pág.5).

Figura 9- Máquina do construtor italiano Antonio Pacinotti.
Fonte: Souza et al, 2010, p. 5.

Fazendo uma adaptação na máquina, Zenobe Grame substituiu o núcleo sólido de ferro, por um anel laminado, constituído de feixes de fios de ferro, sendo estes isolados entre si. Ele também acrescentou 16 bobinas no anel, resultando em 32 bobinas. Tal adequação teve o objetivo de diminuir as correntes induzidas no núcleo, e limitar o pulso da tensão gerada que sai da máquina, contribuindo no aumento do campo magnético sobre as bobinas, gerando consequentemente um melhor rendimento da máquina, pois deste modo não haveria grandes perdas no processo de geração e transformação de energia. Diante disso foi desenvolvido por volta de 1869, o equipamento conhecido na época como Anel de Grame. Um acontecimento importante que queremos destacar ocorrido em 1873, na Exposição de Viena foi à descoberta da reversibilidade do dínamo. Quando Grame conectou dois dínamos de corrente contínua em paralelo, tendo apenas uma dessas máquinas, o dispositivo de acionamento, percebeu-se que uma delas começava a girar aplicando assim um torque em seu eixo, agindo como motor (SOUZA et al, 2010; POMILIO, 2012).

Figura 10- Ilustração da Máquina de Grame.
Fonte: Souza et al., 2010, p.8.

Contudo as máquinas de Grame foram fundamentais para descortinar o processo de produção do conhecimento científico do século XIX no campo da eletricidade, desta forma tornou-se possível a geração de energia elétrica em quantidade necessária para atender a demanda existente nas indústrias.

4.3 O APROVEITAMENTO DA ELETRICIDADE PARA FINS COMERCIAIS – O EMBATE ENTRE THOMAS EDISON E NIKOLA TESLA

Por volta do início do século XIX, começa a surgir o sistema de iluminação a gás, substituindo as velas e lâmpadas a óleo. Logo depois surge à ideia da utilização da eletricidade na iluminação, desenvolvendo deste modo a lâmpada de arco, porém tais instrumentos além de não serem econômicos eram extremamente brilhantes para serem usados em domicílio; e logo se percebe que o uso de filamentos nas lâmpadas seria a melhor alternativa para obtenção da luminosidade desejada. Diante disso, pesquisadores iniciam seus trabalhos a fim de encontrar o material adequado a ser utilizado no filamento. Neste contexto podemos destacar o inventor Thomas Alva Edison, que desenvolve seus trabalhos inventando a lâmpada de alto vácuo, com filamento de bambu carbonizado. A partir daí ele investe na ampliação e aproveitamento da eletricidade, criando sua companhia de energia elétrica, fornecendo energia em corrente continua.

O importante inventor e empresário Thomas Edison que muito se destacou no século XIX, contribuindo para o advento do sistema de geração e distribuição de energia elétrica, nasceu em uma família de classe média, em 11 de fevereiro de 1847 na cidade de Milan Ohio, EUA. Sua vida escolar foi curta, pois tinha problemas na escola e segundo seu professor ele era muito questionador e inquieto. Sendo assim ele deixa a escola muito cedo, ficando sua mãe que era professora a responsável por sua educação, despertando-lhe o interesse pela ciência. Desde cedo Thomas começa a trabalhar para conseguir dinheiro para realizar seus experimentos. E aos 21 anos, tem registrada sua primeira invenção: a máquina de votar; porém não alcança o reconhecimento esperado. Buscando tornar-se um inventor independente, alcançando novos horizontes ele se muda para Nova Iorque. Após passar por um momento de muita dificuldade, ele tem seu contrato assinado para a empresa Western Union quando vende para ela sua invenção do indicador automático de cotações da bolsa de valores. Em torno de 1876, cinco anos após sua contratação já era um inventor famoso, e a amplitude de suas atividades impulsiona a construção do grande centro de pesquisa Menlo Park. Neste ambiente constituído de laboratórios e oficinas, rodeado de assistentes e técnicos capacitados, Edison propõe produzir a cada dez dias uma nova invenção, porém não conseguiu alcançar tal meta, mas é verdade que num período de quatro anos conseguiu patentear 300 inventos, dentre eles podemos destacar o fonografo, o microfone de carvão, cinetógrafo (máquina de filmar), vitascópio (projetor de filmes em tela), contador de eletricidade, ditafone, Cinetoscópio (caixa com imagens filmadas vistas no seu interior), lâmpada incandescente, a criação de uma central de energia elétrica dentre outros, que em conjunto modificaram o mundo, consagrando definitivamente a tecnologia (CORRÊA, 2011).

No ano de 1882 a empresa The Edison Eletric Light Company pertencente a Thomas Edison, desenvolve a primeira central de energia elétrica do mundo para fins comerciais, localizada à Rua Pearl Street em Nova York. A usina que forneia energia elétrica em corrente continua para cerca de 59 clientes, contava com vários geradores movidos a vapor e por operarem em única voltagem, estes deveriam estar a 800 metros de distância dos pontos de consumo. Porém o sucesso de Edison logo é ameaçado pela chegada imponente das propostas do uso da corrente alternada, por seu rival Nikola Tesla que tencionava exceder as limitações da corrente continua (LAMARÃO, 2012; CORRÊA, 2011).

Segundo FUKE (2010), o grande incentivador da corrente alternada, o servo-croata Nikola Tesla nascido em 10 de julho de 1856, desde os 19 anos progride nos estudos de engenharia elétrica quando ingressa na escola politécnica de Graz, na Áustria, ali ele conhece um campo de pesquisa que muito lhe intriga: a eletricidade; e desde este instante ele anseia por compreender as suas leis. Sua carreira profissional inicia-se por volta de 1881, quando se torna engenheiro eletricista na National Telephone Company em Budapeste. Em torno de 1882 passa a trabalhar na Continental Edison Company em Paris, aprimorando os equipamentos elétricos. É importante ressaltar que é neste período que ele idealiza o instrumento no qual acreditava ser possível gerar a corrente alternada, que até então era considerado impossível pelos cientistas, isto é o motor de indução. Visando ampliar seus conhecimentos sobre corrente elétrica, ele parte no ano de 1884 para os Estados Unidos onde começa a trabalhar na companhia de Thomas Edison, onde após conquistar o respeito do empresário, lhe foi atribuído à função de aperfeiçoar os dínamos de corrente continua, a fim de alcançar uma melhora na eficiência. Caso tal meta fosse realizada com êxito ele seria recompensado com 50 mil dólares. Sendo assim Tesla empenha durante um ano no aprimoramento de tais instrumentos, alcançando uma rentável eficiência para a empresa de Edison; porém não recebeu seu prêmio conforme convencionado, levando-o a se demitir (WHITE, 2003).

Entretanto, enquanto desenvolvia seu notável trabalho na Edison General Eletric, Tesla tornou-se famoso nos círculos especializados. E assim, após sua demissão ele funda por volta de 1886 sua empresa: a Tesla Electric Light and Manufacturing Company. Porém seus investidores financeiros não apoiaram suas ideias de desenvolver o motor de corrente alternada, desde modo mais uma vez ele é levado a deixar o emprego se frustrando novamente. Porém após muitas lutas, as ideias de Tesla são acolhidas pelo também engenheiro George Westinghouse, dono da Westinghouse Electric Company, que financia o desenvolvimento de seus aparelhos e logo compra sua patente. Cabe esclarecer que até este período predominava a corrente continua divulgada e distribuída por Edison, porém os trabalhos de Tesla possibilitaram gerar e distribuir energia elétrica em corrente alternada, de modo a superar as limitações da sua concorrente (HARF, 2010).

Figura 11- Fotografia do motor de indução, inventado por Nikola Tesla em 1882.
Fonte: Disponível em www.teslasociety.com.

Desta forma surge a conhecida batalha das correntes, onde duas ideias disputavam seu espaço. De um lado havia a corrente continua, que até o momento supria as exigências da sociedade, por outro lado a corrente alternada apresentava mais facilidade tanto na geração quanto na transmissão da energia, superando as dificuldades da sua concorrente em elevar a tensão de trabalho e ser transmitidas a longas distancias até chegar ao consumidor. Contudo as ideias de Tesla apresentavam mais vantagens, ganhando assim a preferência; porém Edison não satisfeito empenha em desestimular o uso da corrente alternada, para isso em sua campanha ele chega a executar animais por meio da eletrocussão, a fim de mostrar os riscos existentes na transmissão de corrente alternada, o que segundo ele não ocorria com a corrente continua. No entanto tais apelos não alcançaram o resultado desejado, pois foi à companhia Westinghouse utilizando às ideias de Tesla, a escolhida para o grande projeto de geração de energia que consistia em aparelhar as Cataratas do Niagara, a fim de produzir eletricidade, gerando energia suficiente para abastecer a indústria de Bufallo, em Nova York, marcando assim uma nova era da eletricidade. Em vista disso Nikola Tesla vence tal disputa, e a partir daí a corrente alternada foi legitimada como forma de produzir e distribuir energia (GUIMARÃES, 2010).

Figura 12- A primeira grande usina hidrelétrica do mundo: a Niagara Falls em 1895, um ano antes do término das instalações. Fonte: Disponível em www.teslasociety.com

5. ENERGIA ELÉTRICA: O CAMINHO PERCORRIDO DA GERAÇÃO AO CONSUMO

A energia elétrica tornou-se indispensável para a sobrevivência do ser humano, sendo utilizado para os fins desde domésticos aos industriais. Atualmente, graças ao desenvolvimento tecnológico, tem-se uma diversidade de equipamentos eletrônicos nas residências, indústrias, hospitais dentre outros locais que pressupõe no suprimento de energia elétrica para seu funcionamento; desta forma a energia elétrica é essencial para o progresso tecnológico. Entretanto ela não é uma energia primária, ou seja, para sua produção é necessário utilizar uma fonte de energia primária, como por exemplo, o carvão, petróleo, gás natural, urânio, produto da cana, águas marítimas e fluviais, vento, sol dentre outras.

Figura 13- Matriz elétrica do Brasil em 2011.
Fonte: BRASIL, 2012, p. 31.

De acordo com a Empresa de Pesquisa Energética, o Balanço Energético Nacional (BNE) aponta que em 2011, 81,7% da energia elétrica produzida no Brasil é proveniente das hidrelétricas, sendo esta a maior fonte de contribuição.

Geralmente as fontes primárias são distantes da população consumidora, sendo necessária investir na transmissão da energia. Desta forma o sistema elétrico brasileiro é constituído da geração, transmissão e distribuição de energia.

Na geração, grandes usinas produzem a energia elétrica que é então transmitida para subestação de energia, que normalmente eleva a tensão e a envia para os sistemas de transmissão de alta tensão. Em seguida é encaminhada para subestação próxima ao centro de consumo que gera a média e baixa tensão, e depois, através das linhas de distribuição, são transformadas para tensões apropriadas para ser entregue ao consumidor final, por meio da linha de serviço (Ferreira et al, 2010, p. 20).

5.1 A GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL

De acordo com o gráfico apresentado na figura 13, temos que a matriz elétrica no Brasil consiste no uso de fontes renováveis e não renováveis para geração de energia elétrica. Desta forma é importante esclarecer como essas fontes são empregadas nas usinas hidrelétricas, termelétricas, nucleares e eólicas, para a geração de energia.

Atualmente a força das águas é utilizada nas hidrelétricas para a geração de energia elétrica. Estas por sua vez são formadas basicamente por: reservatório, barragem, vertedouro e casa de força. O reservatório surge quando a água é represada com a criação de uma barragem, esta por sua vez é construída para acumular a água. Já o vertedouro tem a função de controlar o nível de água do reservatório, principalmente na época de chuva, pois ele possibilita o escoamento da água diretamente no canal de fuga sem ter necessidade de passar pela casa de força. E por fim a casa de força é o local onde se opera a usina e estão localizados os grupos turbinas-geradores e auxiliares.

Figura 14- Elementos principais de uma hidrelétrica.
Fonte: Adaptada de www.portalsaofrancisco.com.br

Nas usinas hidrelétricas, a energia elétrica é adquirida pela transformação de energia. Basicamente seu funcionamento consiste na transformação da energia potencial existente entre o nível do reservatório e o do rio após a barragem, em energia cinética quando a água que sai do reservatório é conduzida por meio de tubulações, sendo incidida nas pás das turbinas fazendo-as girar. Esta turbina está conectada a um gerador, que consequentemente entra em movimento, transformando a energia cinética em energia elétrica, após esse processo de geração a energia é transmitida para as subestações elevadoras, onde a tensão fornecida pelos geradores é elevada por meio de transformadores (MOTA, 2010).

Figura 15- Figura esquemática de uma usina hidrelétrica.
Fonte: www.portalsaofrancisco.com.br

Enquanto nas usinas termelétricas o movimento do gerador é obtido pela combustão de combustível fóssil como o carvão, óleo derivado do petróleo ou gás natural, ou de combustível renovável como, bagaço de cana, folhas, galhos, sobras de colheitas lenha, carvão mineral e até mesmo o lixo orgânico. Independente do combustível as termelétricas apresentam funcionamento semelhante, que consiste no seguinte processo: Durante a queima do combustível na caldeira, esta gera vapor a partir da água que circula por uma extensa rede de tubos que revestem suas paredes. Este vapor é utilizado para movimentar as pás de uma turbina cujo rotor gira juntamente com o eixo de um gerador, efetuando assim a transformação da energia térmica em energia cinética e logo após em energia elétrica. Nesse sistema de geração, após a incidência do vapor nas turbinas ele é resfriado em um condensador, convertendo-se novamente em água, iniciando dessa forma um novo ciclo (SILVA e CARVALHO, 2002).

Figura 16- Representação esquemática de uma usina termelétrica.
Fonte: www.alterima.com.br/

Conforme afirma Pegollo (2006), nas usinas nucleares utiliza-se o urânio composto pelo U-235 (isótopo com 92 prótons e 143 nêutrons) como combustível, devido a sua propriedade de fissionar quando atingido por nêutrons de baixa energia. O processo de geração de energia consiste na fissão nuclear isto é, na quebra do urânio dentro de um reator nuclear, produzindo grande quantidade de calor, que servirá para aquecer a água em uma caldeira e transformá-la em vapor, a partir daí o método para geração de energia se assemelha as das usinas térmicas convencionais, a diferença está no combustível utilizado.

Podemos destacar também as usinas eólicas, que utiliza a fonte alternativa da força dos ventos. Seu funcionamento consiste na transformação da energia cinética dos ventos em energia mecânica quando estes são incididos nas pás dos aerogeradores que são acoplados em geradores, que por sua vez são utilizados para converter a energia mecânica em energia elétrica. Entretanto estas usinas são instaladas em regiões que possuam ventos constantes (PENTEADO e TORRES, 2010).

Figura 17: Componentes de um aerogerador.
Fonte: www.alterima.com.br

Cabe aqui esclarecer que todas as usinas geradoras de eletricidade assemelham-se pela utilização do gerador para efetuar a transformação da energia, porém a fonte primária que fornece a energia para que se efetue a rotação do gerador é o que diferencia os tipos de usinas. Dessa forma é importante destacarmos, neste contexto o princípio de funcionamento deste equipamento.

5.2 FUNCIONAMENTO DOS GERADORES

Os geradores são dispositivos capazes de converter energia mecânica em energia elétrica, eles são compostos basicamente por um rotor (imã), que gira no interior de um estator (bobina), causando o aparecimento de uma corrente elétrica. Quando é produzido nas espiras um movimento de rotação, através, por exemplo, do movimento de uma turbina nas hidrelétricas, há uma variação no fluxo magnético através da espira, fazendo surgir uma corrente elétrica no circuito devido à força eletromotriz induzida que aparece neste. Este fenômeno conhecido como indução eletromagnética obedece às leis de Faraday e de Lenz (MUSSOI, 2006).

Para entendermos a Lei de Faraday é necessário conhecermos o conceito de fluxo magnético, e para isso analisaremos o caso de uma superfície de área plana de área A inserida em um campo magnético uniforme . Neste caso será designada por a normal a superfície, A e θ é o ângulo formado entre o campo magnético e a superfície normal, conforme indicado na figura abaixo.

Figura 18- Representação do fluxo magnético sobre uma superfície plana.
Fonte: disponível em: www.brasilescola.com

 

Sendo assim, podemos definir o fluxo magnético representado pela letra Φ(fi), como sendo o produto entre o campo magnético, a área da superfície plana e o cosseno do ângulo formado, ou seja:

Onde a unidade de fluxo magnético é definida pelo Sistema Internacional de Unidades (SI), como o weber (Wb). Desta forma podemos perceber que o fluxo magnético está relacionado ao número de linhas de indução que atravessam a superfície, assim sendo, podemos concluir que quanto maior o número de linhas que atravessam a superfície maior será o valor do fluxo magnético (LUZ e ALVARES, 2000).

De acordo com Penteado e Torres (2010), agora poderemos enunciar as leis de Faraday, que ressalta que: sempre que houver uma variação do fluxo magnético através de um circuito, surgira uma força eletromotriz induzida (ε) neste circuito, que pode ser calculada pela equação:

Onde  é a taxa de variação do fluxo magnético, e N é o número de espiras.

Já tendo discutido as situações em que uma corrente induzida aparece no circuito variando o seu sentido, podemos enfatizar as leis de Lenz que determina o sentido da corrente.

Segundo afirma Luz e Alvares (2000), quando Faraday estudava o fenômeno da indução ele percebeu o fenômeno da alternância do sentido da corrente induzida, porém não conseguiu elaborar uma lei que possibilitasse definir tal fenômeno. Isto só foi possível após a divulgação do trabalho de Faraday, com os estudos do cientista russo Heinrich Lenz. Ele descobriu que o sentido da corrente induzida aparece de modo que origina um campo magnético induzido, que se opõe à variação do campo magnético indutor, observe na figura abaixo:

Figura 19- Representação do sentido da corrente induzida em uma espira.
Fonte: LUZ E ALVARES, 2000, p.299.

Desta forma podemos interpretar a lei de Lenz da seguinte forma:

Quando a corrente induzida é estabelecida em virtude de um aumento do fluxo magnético, o seu sentido é tal que o campo por ela criado tem sentido contrario ao campo magnético existente no interior do circuito. Quando a corrente induzida é estabelecida em virtude de uma diminuição do fluxo magnético, o seu sentido e tal que o campo por ela criado tem o mesmo sentido do campo magnético existente no interior do circuito (LUZ e ALVARES, 2000, p. 300).

É importante destacar que nos geradores de corrente alternada enquanto a espira gira ¼ de volta, seu fluxo magnético está aumentando. Porém quando ela completa o ¼ de volta seguinte, o fluxo magnético está diminuindo. É por esta razão que a corrente induzida que surge no circuito tem seu sentido alternado. Os geradores existentes nas usinas hidrelétricas, termelétricas, eólicas e nucleares apresentam um funcionamento semelhante ao que foi descrito. Contudo pode-se afirmar que em todas as usinas geradoras de energia os geradores são indispensáveis.

5.3  2.4.3- O PAPEL DAS SUBESTAÇÕES NO SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO

Após todo o processo de geração da energia elétrica é necessário conduzi-la as subestações elevadoras, pois os geradores de corrente alternada que regularmente geram uma tensão de 13,8 KV não podem fornecer as altas voltagens necessária para a transmissão. Desta forma nas subestações é possível aumentar as tensões por meio dos transformadores. É importante lembrar que os transformadores também são empregados para baixar a tensão nas subestações abaixadoras próximas aos centros de consumo. Portanto sem esses aparatos não seria possível à transmissão e distribuição da energia elétrica em corrente alternada (LEÃO, 2009).

5.4 OS TRANSFORMADORES

O primeiro modelo comercial de um transformador foi construído por William Stanley por volta de 1885, quando este trabalhava para o empresário George Westinghouse. Seu trabalho foi baseado em projetos rudimentares da companhia Ganz e dos inventores Gaulard Lucien e Jonh Dixon Gibbs, sendo este utilizado pela primeira vez em 1886 no sistema de energia da Great Barrington, Massachussets pela empresa Westinghouse Electric Company, desde então passou por diversas modificações (diminuição de tamanho, aumento da eficiência, melhoramento da capacidade) e vem sendo utilizados nos diversos ramos da eletrônica (Edison Techcenter).

O transformador ideal é um dispositivo elétrico que trabalha com corrente elétrica alternada, efetuando a modificação de uma tensão fornecida. Este aparelho é constituído basicamente de um núcleo feito de material ferromagnético, onde são enrolados fios de cobre eletrolítico, formando duas bobinas. Conforme podemos verificar na figura a seguir, a bobina que é ligada ao circuito que fornece a voltagem a ser transformada denomina-se enrolamento primário, e a bobina que recebe a tensão já transformada é nomeada enrolamento secundário (TORRES, FERRARO e SOARES, 2010).

Figura 20- Representação esquemática de um transformador.
Fonte: NEVES e MUNCHOW, 2010, p. 79.

Quanto ao funcionamento do transformador, conforme afirma Gaspar (2003) está baseado no princípio da indução eletromagnética. Quando é aplicada uma tensão no enrolamento primário, uma corrente elétrica alternada passa a percorrer as espiras desse enrolamento, estabelecendo no seu interior um campo magnético que consequentemente imanta o núcleo de ferro. Devido à voltagem fornecida ser alternada o campo magnético estabelecido no núcleo de ferro, estará apresentando consecutivas oscilações, resultando em um fluxo magnético variante através do enrolamento secundário. Deste modo, sabemos que conforme menciona a lei de Faraday surgira uma voltagem induzida no enrolamento secundário.

Sendo assim podemos escrever a partir da lei de Faraday, a relação entre as voltagens no primário e no secundário de um transformador ideal:

Onde N2 é o número de espiras no enrolamento secundário, e N1 é o número de espiras no enrolamento primário. Desta forma podemos demonstrar que se o número de espiras no enrolamento secundário e maior que no enrolamento primário (N2>N1) o transformador é usado para elevar a voltagem, e no caso inverso (N2<N1) o transformador estará abaixando.

É importante ressaltar que não é possível modificar a tensão quando se utiliza corrente continua, pois esta não apresenta um fluxo magnético variante, então nessas condições a voltagem no enrolamento secundário seria nula. Sendo este um dos fatores que torna mais viável o uso da corrente alternada nas transmissões conforme descreveremos a seguir.

5.5 O PROCESSO DE TRANSMISSÃO DA ENERGIA ELÉTRICA

Conforme já mencionado, geralmente as usinas de geração de energia elétrica se encontram distantes dos consumidores, pois as mesmas são instaladas em locais propícios ao aproveitamento dos benefícios naturais, diante disso, é necessária a instalação de redes de transmissão de energia, possibilitando assim o transporte da energia desde os pontos de geração aos de distribuição.

As redes de transmissão podem ser do tipo áreas, subterrâneas ou trilhas metálicas. Todavia no Brasil predomina-se a transmissão através de linhas áreas devido à existência das longas distâncias. Conforme afirma Leão (2009) essas linhas são constituídas basicamente de condutores, isoladores, estrutura de suporte e para-raios. Dentre as características necessárias aos condutores, podemos destacar a alta condutibilidade elétrica, custo reduzido, baixo peso específico, resistência mecânica apropriada e elevada resistência à corrosão e oxidação. Diante disso os materiais usualmente empregados são o alumínio e o cobre. Com relação aos isoladores podemos destacar que desempenham o papel de suspender, fixar e separar, estando sujeito tanto às forças mecânicas quanto elétricas. Desta forma é necessário que estes proporcionem grande resistência à passagem de corrente de fuga de superfície, e que sejam razoavelmente consistentes para prevenir ruptura sob as condições de tensão que devem suportar. Para isso são utilizados isoladores dos tipos: em disco, de pino, de suspensão, e os isoladores do tipo pilar de subestação e de linha, sendo estes construídos a base de porcelana vitrificada, vidro temperado ou polímeros em borracha, pois estes materiais oferecem todas as características necessárias a um isolador. Os demais componentes das linhas de transmissão são as estruturas e os cabos que contribuem respectivamente na sustentação e proteção das linhas.

De acordo com Leite (2012), na transmissão da energia elétrica opta-se pela escolha da corrente alternada, com tensões de 69 KV a 500 KV. Sendo que a partir de 500 KV é necessário estudar que tipo de corrente empregada será mais economicamente viável para efetuar tal transmissão. O fator principal que influencia na utilização da corrente alternada é a facilidade em elevar ou reduzir a voltagem, pois durante a transmissão terá a necessidade tanto de elevar a tensão para que as perdas por efeito joule sejam os menores possíveis, quanto reduzir a tensão nas subestações próximas aos centros consumidores.

5.6 A IMPORTÂNCIA DAS LINHAS DE DISTRIBUIÇÃO

Conforme mencionamos nos subcapítulos anteriores após a energia ser gerada e transmitida, é distribuída de modo mais eficiente possível aos consumidores. Geralmente as redes de distribuição operam no mínimo com duas tensões, uma de alta tensão para os consumidores de grande porte como as indústrias e grandes prédios comerciais ou residenciais que por sua vez possuem uma subestação redutora de tensão atendendo assim as necessidades de alimentação de seus equipamentos. E uma de baixa tensão, destinada aos usuários de pequeno porte como as residências, neste tipo de distribuição denominado secundário, a tensão primária que no Brasil é de 13,8 KV passam por transformadores localizados nos postes públicos, onde é rebaixada a tensão ao nível necessário do suprimento dos aparelhos elétricos, isto é, para 127 ou 220 V (BOLSONI, 2012).

Figura 22- Esquema representativo do sistema de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica.
Fonte: Adaptada de www.redeinteligente.com

5.7  2.4.6- O CONSUMO DA ELETRICIDADE NO MUNDO ATUAL

A energia elétrica tornou-se fundamental para o desenvolvimento tecnológico e científico no mundo atual, e consequentemente transformou-se em prioridade no cotidiano do ser humano, podemos expressar tal evidência com a afirmação de Ferreira et al:

O setor de energia elétrica, cada vez mais, vem se consolidando com uma das áreas estratégicas para o desenvolvimento da sociedade atual, devido à crescente demanda de tecnologias, que geralmente funcionam à base deste insumo, e são indispensáveis para elevar o padrão de vida ou bem estar, bem como, o padrão econômico da sociedade como todo. É fácil constatar que a energia elétrica é responsável pelo funcionamento de vários serviços e equipamentos que tornam a vida mais prática e confortável (2010, p. 18).

Todavia a energia elétrica que chega ao consumidor apresenta-se em forma de corrente alternada senoidal, com frequência constante, porém há uma diversidade de aparelhos eletrônicos que necessitam ser alimentados com corrente contínua, como por exemplo, os computadores, celulares, câmera fotográfica, dentre outros, assim surge à necessidade de um circuito retificador de corrente, isto é, um circuito que transforme corrente alternada em corrente contínua.

Quanto à classificação dos retificadores Pomilio (2012) afirma que podem ser classificados em controlados ou não controlados, conforme a sua capacidade de regular o valor da tensão de saída; monofásico, trifásico, etc. segundo o número de fases da tensão alternada de entrada; em meia onda ou onda completa, de acordo com o tipo de conexão dos elementos retificadores. Quando se utiliza equipamentos que requer para seu funcionamento alta potência, faz se necessário utilizar retificadores trifásicos, estes por sua vez devem ser elaborados de forma que evitem danificar os equipamentos ou redes elétricas vizinhas. “As fontes de alimentação trifásicas convencionais, utilizam retificadores a diodo, ou a tiristores quando se deseja algum controle do fluxo de potência e da tensão de saída” (BARBI et al, 2002, p. 1). Cabe aqui enfatizar que não será aprofundado o processo de retificação da corrente, pois não é o objetivo deste trabalho.

6. O ENSINO E APRENDIZAGEM DE FÍSICA

Apesar de a Física ser uma das áreas, com conceitos tão presentes em nosso cotidiano, tem-se verificado há um tempo que esta disciplina não tem conseguido nas escolas motivar os estudantes e estes a percebem como difícil, abstrata, além de não relacionar-se com o dia-a-dia (SOUZA et al.,2009). Conforme cita Martins (2006), e Bonadiman (2004), esta visão é resultado do ensino tradicional empregado pelas escolas, sendo este um modelo centrado no formalismo onde não há uma articulação entre os fenômenos físicos e o mundo no qual o aluno está inserido, diante disso Bonadiman et al. expressam às consequências de tal método de ensino.

Diante desse modelo de ensino, os alunos pouco ou nada aprendem da Física. O que freqüentemente aprendem é a não gostar dela, carregando essa aversão consigo pelo resto da vida. Para muitas pessoas, falar em Física significa avivar recordações desagradáveis, sendo até muito comum ouvir-se expressões como esta: “Física é coisa para louco!” (BONADIMAN et al., 2004, p. 2).

Diante disso, têm sido expressadas propostas que conduzam ao desenvolvimento de uma educação direcionada à formação plena dos indivíduos, desta forma Lopes, Martins e Rios afirmam que estes “devem estar capacitados a compreender os avanços tecnológicos atuais e a atuar de modo fundamentado, consciente e responsável diante de suas possibilidades e interferência nos grupos sociais em que convivem” (2011, p. 2). Sendo assim, tais propostas são condizentes com as orientações dos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCN), que almejando construir uma visão da física voltada à formação de um cidadão contemporâneo reflexivo e atuante sugere as direções acerca do ensino de física:

A Física deve apresentar-se, portanto como um conjunto de competências específicas que permitam perceber e lidar com os fenômenos naturais e tecnológicos, presentes tanto no cotidiano mais imediato quanto na compreensão do universo que conduzam a possíveis soluções distantes, a partir de princípios, leis e modelos por ela construídos (BRASIL, 2002, p. 59).

No entanto faz-se necessário adotar estratégias que viabilizem tais propostas superando assim as deficiências apontadas anteriormente. Nesse contexto, cabe destacar a ferramenta da experimentação, pois segundo vários pesquisadores ela tem sido apontada como estratégia de ensino de modo a proporcionar atividades motivadoras onde haja a interação do aluno com materiais, levando-o a refletir, questionar, manusear, observar e entender os fenômenos envolvidos, propiciando assim um ensino e aprendizagem significativo e consistente (LOPES, MARTINS e RIOS, 2011; ARAÚJO e ABIB, 2003; SILVA, 2010). É importante esclarecer que a experimentação não deve ser abordada apenas como agente motivador no ensino aprendizagem, pois conforme aborda Oliveira et al. (2010) mais que atrair a atenção deve-se utilizar a sensação de novidade proporcionada por uma atividade experimental para construção de um conhecimento mais próximo do aluno.

Justaposto à experimentação ressalta-se a importância da abordagem histórica da ciência no processo de ensino e aprendizagem, pois tal estratégia possibilita o amadurecimento do aluno acerca de suas concepções sobre a natureza da ciência, seu desenvolvimento, suas limitações, suas relações com outros domínios de forma a promover o debate de ideias, contribuindo assim para edificação de um indivíduo critico na sociedade atual (HYGINO, SOUZA e LINHARES, 2012). Complementando, podemos citar a opinião de Martins (2006) a cerca desta abordagem no ensino de física:

O estudo adequado de alguns episódios históricos permite compreender as inter-relações entre ciência, tecnologia e sociedade, mostrando que a ciência não é uma coisa isolada de todas as outras, mas sim faz parte de um desenvolvimento histórico, de uma cultura de um mundo humano sofrendo influências e influenciando por sua vez muitos aspectos da sociedade (2006, p. 1).

Percebe nas literaturas citadas que há muitas barreiras para que tal estratégia desempenhe definitivamente um papel primordial no ensino, porém há alguns anos os educadores tem percebido a importância da ênfase do processo de construção da ciência ao longo da história da humanidade, para complementar outras abordagens no ensino, de tal forma que tais propostas têm sido refletidas nos Parâmetros curriculares Nacional para o Ensino Médio.

Com base no que discutimos ao longo do referencial teórico propomos a elaboração de um material didático sobre a eletricidade, abordando seu processo desde a geração a distribuição, de modo a nos permitir aliar a abordagem da história da ciência a experimentação, possibilitando com a compreensão dos fenômenos físicos envolvidos a diminuição do distanciamento entre tecnologia e usuário.

7. MATERIAIS E MÉTODOS

Para elaboração deste trabalho, foram realizadas inicialmente pesquisas bibliográficas referentes ao desenvolvimento histórico desde os primórdios da eletricidade até sua aplicação prática em escala comercial, ressaltando os personagens envolvidos no processo de construção do conhecimento. Dando continuidade ao trabalho, foi efetivado o aprofundamento do tema referente à utilização da experimentação, aliada ao estudo histórico da ciência, como proposta didático-pedagógica na melhoria do ensino e aprendizagem de física, ressaltando seus pontos positivos e suas limitações.

Decorrido este processo de aprofundamento, foi elaborado uma proposta de material didático para o ensino de eletricidade, desde a geração nas grandes usinas a distribuição, para isso foi construída no laboratório de física do IFNMG- Campus Januária, uma maquete, demostrando os processos do qual é constituído o sistema elétrico, tendo como fonte de energia primaria à força dos ventos. Para confecção de tal experimento foi utilizado materiais de baixo custo e sucata como: madeira, papel, tintas, fios laminados, leds, transformador, gerador, espuma e hélice de plástico.

Após a construção do experimento foi elaborado uma proposta de roteiro experimental que se encontra no apêndice deste trabalho, sendo este direcionado a uma abordagem aberta, permitindo a analise, a observação, o manuseio, a reflexão dos fenômenos envolvidos, promovendo assim o debate de ideias. Também é sugerida a investigação do processo evolutivo da utilização da eletricidade para fins comerciais, ressaltando os fatores que influenciaram neste decurso, como por exemplo, o desenvolvimento dos equipamentos necessários à execução de tal atividade e as descobertas de estudiosos deste assunto que contribuíram para melhora dos projetos existentes. Tal temática poderá ser explorada por meio de pesquisas em livros, revistas, páginas da internet, e etc., ficando a critério do professor usuário efetuar possíveis alterações.

8. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Com base nas pesquisas bibliográficas sobre o processo de desenvolvimento do conhecimento no decorrer dos anos iniciando os estudos desde as primeiras observações dos fenômenos elétricos a sua aplicação prática com a implantação do sistema elétrico de potência predominante na sociedade atual, verificou-se a importância da contribuição de cada descoberta alcançada pelos estudiosos da época no processo de construção da ciência, gerando ainda uma concepção mais realista a cerca destes personagens neste contexto de constante mudança, favorecendo a compreensão da ciência como um estudo situado social e historicamente.

Podemos constatar também a efetiva colaboração da experimentação no processo de ensino aprendizagem, no entanto para que os alunos possam desenvolver um papel ativo na construção do conhecimento, é necessário que se utilize uma metodologia de ensino adequada. Para isso ao utilizar um experimento o professor deve ir além da transmissão do conhecimento, possibilitando a ampliação dos horizontes pelos alunos, fazendo com que estes não limitem apenas à observação. Faz-se necessário neste âmbito a reflexão, a investigação, a articulação entre os conceitos teóricos e o cotidiano do aluno, propiciando com isso um debate de ideias, que irá contribuir na formação de um cidadão mais consciente, atualizado, interativo, estabelecendo assim uma nova visão da física.

9. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Neste trabalho buscamos compreender o processo de desenvolvimento histórico da eletricidade e identificar como a utilização da eletricidade nas tecnologias existentes, pode auxiliar o aluno na compreensão dos conteúdos. Para isso procuramos a partir da pesquisa bibliográfica, investigar as contribuições dadas pelos estudiosos deste tema e as consequentes mudanças no cenário mundial decorrentes da evolução do conhecimento. Além disso, buscamos analisar qual a importância da experimentação e do estudo histórico da ciência, como estratégia de ensino, para efetiva compreensão dos conteúdos estudados em sala de aula. E por fim, efetuamos a produção de um material de ensino, abordando os processos envolvidos no sistema elétrico atual.

Através do que foi pesquisado e analisado, percebe-se que a aplicação prática da eletricidade pode ajudar o aluno a compreender os conceitos envolvidos no estudo dos fenômenos elétricos, desde que este tema tenha uma abordagem adequada tanto à fase de desenvolvimento quanto a realidade do educando. Dessa forma, pode-se verificar que a experimentação é apontada como uma eficiente estratégia de ensino, quando oportuniza debate de ideias, formulação, testagem de hipóteses e situações de investigação, possibilitando assim conhecer como se processa a construção do conhecimento físico.

Podemos também inferir que a inadequação na sequência dos conteúdos passa uma visão deformada da física, dificultando assim a compreensão de seus conceitos, dessa forma a principal atividade dos alunos de física é a memorização de símbolos, formulas, teorias e regras. No entanto, quando se utiliza a abordagem histórica da ciência, enfatizando as origens dos conceitos e seu processo de desenvolvimento, cria-se uma situação mais propicia para que o aluno possa contextualizar os conceitos estudados, aproximando assim o conhecimento científico ao universo cognitivo do aluno, colaborando no rompimento do ensino dogmático persistente.

E por fim, baseando nas estratégias de ensino estudadas, propomos um material sobre os processos desde a geração ao consumo da eletricidade, por meio do uso adequado deste, pode-se promover o debate, a investigação, a motivação, a pesquisa, o amadurecimento e a reflexão do aluno acerca das suas concepções da natureza da ciência, e da utilização dos recursos naturais, contribuindo também na formação social do cidadão, enfim pode relacionar o conhecimento físico a vida cotidiana, rompendo ainda a dogmatização da ciência.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Teslasociety, AC Motor – One of the Ten Greatest Discoveries of All Time. Disponível em <http://www.teslasociety.com> Acesso em 03 de dez. 2012, 09:12:34.

ALVES, Izalmárcio Rocha. A Equação de Schroedinger. 2008, 54 f. (Trabalho de Conclusão de curso). Licenciatura em Física – Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul, Mato Grosso do Sul, 2008.

ALVES, Mario Ferreira. ABC das maquinas eléctricas. Departamento de Engenharia Eletrotécnica – Instituto Superior de Engenharia do Porto. Disponível em: <http:// ave.dee.isep.ipp.pt/~mjf/PubDid/ABC_ME.pdf>, acesso em 10 jun. 2012.

ARAÚJO, Mauro Sérgio Teixeira de; Maria ABIB, Lúcia Vital dos Santos. Atividades experimentais no ensino de física: Diferentes enfoques, diferentes finalidades. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 25, nº 2, p. 176-194, 2003.

ASSIS, Andre Koch Torres. Os fundamentos experimentais e históricos da eletricidade. Montreal, Quebec: Apeiron, 2010.

BARBI, Ivo; NOVAES, Yales Rômulo de; SOUZA, Fabiana Pöttker de; BORGONOV, Deivis. Retificadores PWM trifásicos unidirecionais com alto fator de potência. Revista da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência, v. 7, n. 1, p. 1-14, 2002.

BARBOSA, Paulo Henrique Ribeiro; BARBOSA FILHO, Francisco Ferreira. Física III. Teresina: CEAD/UFPI, 2010.

BEISER, Arthur. Conceitos de física moderna. São Paulo, S.P.: Polígono, 1969.

BEN-DOV, Yoav. Convite à física. Rio de Janeiro, R.J.: Jorge Zahar, 1996.

BOLSONI, Reinaldo C. R. Eletrotécnica Básica. Disponível em <http://www.ebah.com.br/content//eletrotecnica-basica-reinaldo-bolsoni> Acesso em 01 de nov. 2012, 07:55:09.

BONADIMAN, Hélio; AXT, Rolando; BLUMKE, Roseli Adriana; VINCENSI, Giseli. Difusão e popularização da ciência. Uma experiência em Física que deu certo. In: XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física, p.1-4. 2004.

BONJORNO, José Roberto et al. Física fundamental. Volume único, São Paulo, S.P.: FTD, 1999.

BRASIL. Balanço Energético Nacional 2012 – Ano base 2011. Rio de Janeiro, R.J. EPE, 2012.

BRASIL. PCN + Ensino Médio: Orientações Educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. Ciências da natureza, matemática e suas tecnologias. Secretaria de Educação Média e Tecnológica – Brasília: MEC; SEMTEC, 2002.

CHAGAS, Aécio Pereira. Os 200 anos da pilha elétrica. Química Nova. V. 23, n 3, p. 427-429, 2000.

CHAIB, João Paulo M.C.; ASSIS, André K. T. Ampere e a origem do magnetismo terrestre. In: I Simpósio de pesquisa em ensino e história de ciências da terra. III Simpósio nacional sobre ensino de geologia no Brasil. 2009, p. 315-320.

Alterima, Componentes de Usinas Hidrelétricas. Disponível em <http://www.alterima.com.br> acesso em 12 de out. 2012, 21:23:12.

CORRÊA, Fernanda das Graças. Thomas Edison e a iluminação elétrica– uma historia de invenção, ciência e tecnologia. Revista Eletrônica Estratégia Brasileira de Defesa- A politica e as forças armadas em debate, n. 19, Rio, 2011. Disponível em http://www.reebd.org/2011//thomas-edison-e-iluminacao-eletrica-uma.html> Acesso em 15 de jun. 2012.

DIAS, Valéria Silva; MARTINS, Roberto de Andrade. Michael Faraday: O caminho da livraria à descoberta da indução eletromagnética. Revista Ciência & Educação, v. 10, n. 3, p. 517-530, 2004.

EISBERG, Robert; RESNICK, Robert. Física Quântica. – Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas. 34ª reimpr. Rio de Janeiro, R. J.: Editora Campus, 1979.

Portal São Francisco, Energia Hidrelétrica. Disponível em http://www.portalsaofrancisco.com.br/…hidreletrica/energia-hidreletrica.ph: Acesso em 02 dez. 2012, 12:33:21.

FERREIRA, M.S.; CAVALCANTE, C. A.; FONTES C. H., S. Marambio, J. E. O setor elétrico brasileiro. Revista do Instituto Politécnico da Bahia. Nº 7-E, p. 18-25. 2010.

Brasil Escola, Fluxo Magnético e a Lei de Faraday. Disponível em <http://www.brasilescola.com › Física › Eletromagnetismo> Acesso em 02 de out. 2012, 23:22:12.

FUKE, Luiz Felipe; KAZUHITO, Yamamoto. Física para o Ensino Médio. V. 3, São Paulo, SP.: 2010.

GASPAR, Alberto. Física. V. 3. São Paulo, S. P., Editora Ática, 2003.

GERMANO, Marcelo Gomes; LIMA, Isabelle Priscila Carneiro de; SILVA, Ana Paula Bispo da. Pilha voltaica: Entre rãs, acasos e necessidades. Caderno Brasileiro de Ensino em Física, v. 29, n. 1: p. 145-155, 2012.

GONÇALVES FILHO, Aurélio; TOSCANO, Carlos. Física e realidade. V. 3, São Paulo, S.P. Spcione, 1997.

GUERRA, Andreia; REIS, José Claudio; BRAGA, Marco. Uma abordagem histórico-filosófico para o eletromagnetismo no ensino médio. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 21, n.2, p. 224-248, 2004.

HARF, Rainer. O mago da eletricidade. Revista Geo, edição10, 2010.

HYGINO, Cassiana Barreto; SOUZA, Nilcimar dos Santos, LINHARES, Marília Paixão. Reflexões sobre a natureza da ciência em aulas de física: Estudo de um histórico do Brasil Colonial. Revista Experiências em Ensino de Ciências, v. 7, n. 2, p. 14-24, 2012.

LAMARÃO, Sérgio Tadeu de Niemeyer. A energia elétrica e o parque industrial carioca (1880-1920). In: Simposio Internacional Globalización, innovación y construcción de redes técnicas urbanas en América y Europa, 1890-1930. P.1-28, 2012.

LEÃO, Ruth. GTD- Geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Caderno Didático da Universidade Federal do Ceará – Departamento de Engenharia Elétrica. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/54810993/Apostila-GTD-I-v1> Acesso em 20 de ag. 2012, 12:15:18.

LEITE, Carlos A. F. Instalações Elétricas. Caderno Didático da UNESP Disponível em <http://unilins.edu.br.pdf> Acesso em 21 de set. 2012, 08:03:55.

LOPES, Paulo César de Castro; MARTINS, Marcos Gomes; RIOS, Lilian Rodrigues. A experimentação no ensino de física como possibilidade de reflexão na formação inicial de professores. In: IV EDIPE – ENCONTRO ESTADUAL DE DIDÁTICA E PRÁTICA DE ENSINO. P.1-6 ,2011.

LUZ, Antônio Máximo Ribeiro da; ALVARES, Beatriz Alvarenga. Física. V. 3, São Paulo, S.P. Spcione, 2011.

MACHADO, Kleber Daum. Teoria do eletromagnetismo. V.1. Ponta Grossa. UEPG. 2000.

MAGNAGHI, C. P; ASSIS, A. K. T. Sobre a eletricidade excitada pelo simples contato entre substâncias condutoras de tipos diferentes – Uma tradução comentada do artigo de volta de 1800 descrevendo sua invenção da pilha elétrica. Caderno Brasileiro de Ensino de Física. V. 25, n. 1: p. 118-140, 2008.

MARTINS, Roberto de Andrade. A história e seus usos na educação. In: Estudos de História e Filosofia das Ciências: Subsídios para Aplicação no Ensino. SILVA, Cibelle Celestino (Org.). São Paulo, S.P.: Livraria da Física, 2006, p. 7-30.

MARTINS, Roberto de Andrade. Alessandro Volta e a invenção da pilha: dificuldades no estabelecimento da identidade entre o galvanismo e a eletricidade. Revista Acta Scientiarum Technology, v. 21, n. 4, p.823-835, 1999.

MARTINS, Roberto de Andrade. O contexto da invenção e divulgação da pilha elétrica por Alessandro Volta. Pp. 285-290. In: Anais do VII Seminário Nacional de História da Ciência e da Tecnologia e da VII Reunião da Rede de Intercâmbios para a História e a Epistemologia das Ciências Químicas e Biológicas. São Paulo: Sociedade Brasileira de História da Ciência / EDUSP, 2000.

MOTA, Rosana Paiva. Modelo de operação ótima para cascata do Rio Pardo. 2010, 82 f. (Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia Eletricista). Universidade Federal do Rio de Janeiro- Rio de Janeiro, 2010.

MUSSOI, Fernando Luiz Rosa. Sinais Senoidais: Tensão e Corrente Alternadas. 3ª ed. Florianópolis, S. C., CEFET, 2006.

NEVES, Eurico G. de Castro; MÜNCHOW, Rubi. Eletrotécnica. V. 1. Caderno Didático da Universidade Federal de Pelotas-Centro de Engenharias. 2010. Disponível em: http://www.minerva.ufpel.edu.br/~egcneves/biblioteca/biblioteca.html> Acesso em 19 de jun. de 2012, 19:23:09.

OLIVEIRA, Márcio Marques Lopes de; COSTA, Rita de Cássia da; SOTELO, Daniela Govoni; ROCHA FILHO, João Bernardes da. Práticas experimentais de física no contexto do ensino pela pesquisa: Uma reflexão. Revista Experiências em Ensino de Ciências, v.5, n. 3, p. 29-38, 2010.

PEGOLLO, Carlos Alberto Göebel. A utilização da energia nuclear na geração de energia elétrica. Revista Integração, ano XII, n. 47, pag. 357-362, 2006.

PENTEADO, Paulo César M.; TORRES, Carlos Magno A. Física: ciência e tecnologia. V3, São Paulo, S.P.: Moderna, 2010.

POMILIO, José Antenor. Retificadores não-controlados e o fator de potência. Disponível em:<http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/ee833/Modulo1.pdf>, acesso em: 22 nov. 2012, 08:40:30.

POMILIO, José Antenor. Uma breve história da eletricidade industrial e da eletrônica de potencia, 2012. Caderno Didático da Universidade Estadual de Campinas-Departamento de Sistemas e Controle de Energia. Disponível em <http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/ee833/hist.pdf> Acesso em 10 de jun. 2012.

QUIMARÃES, Hanny. Guerra das Correntes. Revista Coleção Elétrica – As historias e os personagens do mundo das instalações elétricas, v. 4, 2008.

Rede Inteligente. Porque, como, quem , quando, onde? Disponível em <http://www.redeinteligente.com.> Acesso em 29 de out. 2012, 09:23:44.

ROCHA, José Fernando M. et al. (Org.). Origens e evolução das ideias da física. Salvador: EDUFBA, 2011.

SILVA, Cibelle Celestino; PIMENTEL, Ana Carolina. Uma analise da historia da eletricidade presente em livros didáticos: O caso de Benjamin Franklin. Caderno Brasileiro de Ensino em Física, v. 25, n. 1: p.141-159, 2008.

SILVA, Luciano Fernandes; CARVALHO, Luiz Marcelo de. A Temática Ambiental e o Ensino de Física na Escola Média: Algumas Possibilidades de Desenvolver o Tema Produção de Energia Elétrica em Larga Escala em uma Situação de Ensino. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 24, n. 3, p. 342-352, 2002.

SILVA, Mauricio Nogueira Maciel da. O papel atual da experimentação no ensino de física. In: XI Salão de Iniciação Cientifica – PUCRS. 2010, p. 902-905.

SOUZA, Antônio Lopes de; MARTINS, Margareth Guimarães; QUAGLINO, Maria Ana; HAZAN, Sergio Sami. Gramme e o desenvolvimento de suas máquinas: uma experiência multimídia. In: XIV Encontro Regional da ANPUH-Ri. P. 1-11, 2010.

SOUZA, Marcus Venícius Juliano de; DANTAS, Valter Assis; FREITAS FILHO, J. Rufino de; ALMEIDA, Maria Angela Vasconcelos de. Utilização de situação de estudo como forma de alternativa para o ensino de física. Revista Ensaio, vol. 11, nº 1, p. 1-15, 2009.

Edison Techcenter , The History of the Transformer. Disponível em <http://edisontechcenter.org/Transformers.html> Acesso em 23 de dez. 2012, 23:22:12.

TOLENTINO, Mario. ROCHA-FILHO Romeu C. O bicentenário da pilha elétrica. Química Nova na escola, v.1, n.11, p. 35-39, 2000.

TORRES, Carlos magno A.; FERRARO, Nicolau Gilberto; SOARES, Paulo Antonio de Toledo. Física – Ciência e Tecnologia. 2ª ed. V. 3, São Paulo, S.P: Moderna, 2010.

WHITE, Michael. Rivalidades produtivas: disputas e brigas que impulsionaram a ciência e a tecnologia. Tradução: Aluízio Pestana da Costa. 2ª ed. Rio de Janeiro, R.J. Record, 2003.

WHITTAKER, E. A history of the theories of aether and electrity. New York: Humanities Press, 1973.

ANEXO

ROTEIRO EXPERIMENTAL

ELETRICIDADE: DA GERAÇÃO À DISTRIBUIÇÃO

INTRODUÇÃO TEÓRICA

Atualmente o setor de energia elétrica, é considerado uma das áreas de destaque no mercado de trabalho, devido à grande demanda existente da energia elétrica na sociedade atual. É importante enfatizar que a energia elétrica da qual dispomos, possibilitando assim uma vida mais confortável e agradável, é uma forma de energia secundária, isto é, é necessário de uma fonte de energia primária para sua produção, como por exemplo, o carvão, petróleo, gás natural, urânio, produto da cana, águas fluviais, vento, sol dentre outras.

No Brasil o setor elétrico é constituído do sistema de geração, transmissão e distribuição. O processo de geração é realizado nas grandes usinas, onde são utilizadas as fontes primarias para fornecer a energia possível à rotação do gerador, e este a transforma em energia elétrica. Desta forma as usinas se assemelham pelo uso do gerador e se diferenciam pela fonte primaria de energia empregada para movimentar o gerador, temos, por exemplo, o aproveitamento nas usinas hidrelétricas da queda de água, nas termelétricas do vapor de água, nas eólicas a força do vento. Este equipamento indispensável nos dias atuais tem seu funcionamento baseado nas leis descoberta pelo físico Michael Faraday: a indução eletromagnética, que consiste no surgimento de uma corrente elétrica induzida em um circuito devido à força eletromotriz induzida que ali aparece, quando há uma variação do fluxo magnético naquela região. A corrente obtida através desse gerador varia periodicamente de intensidade e sentido, ou seja, é uma corrente alternada.

Logo após a geração, a energia elétrica é enviada as estações elevadoras, onde com o uso de transformadores se efetuam o aumento da tensão, diminuindo consequentemente a intensidade da corrente, pois os geradores existentes nas usinas não são capazes de fornecer altas voltagens necessárias à transmissão da energia dos pontos de geração aos de distribuição. Opta-se pela transmissão da energia elétrica em corrente alternada devido à facilidade em elevar ou reduzir a voltagem, pois durante a transmissão terá a necessidade tanto de elevar a tensão para que as perdas por efeito joule sejam os menores possíveis, quanto reduzir a tensão nas subestações próximas aos centros consumidores.

O transformador ideal é um dispositivo elétrico que trabalha com corrente elétrica alternada, efetuando a modificação de uma tensão fornecida. Este aparelho é constituído basicamente de um núcleo feito de material ferromagnético, onde são enrolados fios de cobre eletrolítico, formando duas bobinas. A bobina que é ligada ao circuito que fornece a voltagem a ser transformada denomina-se enrolamento primário, e a bobina que recebe a tensão já transformada é nomeada enrolamento secundário. Seu funcionamento baseia-se no princípio da indução eletromagnética, da seguinte forma: quando é aplicada uma tensão no enrolamento primário, uma corrente elétrica alternada passa a percorrer as espiras desse enrolamento, estabelecendo no seu interior um campo magnético que consequentemente imanta o núcleo de ferro. Devido à voltagem fornecida ser alternada o campo magnético estabelecido no núcleo de ferro, estará apresentando consecutivas oscilações, resultando em um fluxo magnético variante através do enrolamento secundário, sendo assim surgira uma voltagem induzida no enrolamento secundário.

Sendo assim podemos escrever a partir da lei de Faraday, a relação entre as voltagens no primário e no secundário de um transformador ideal:

Onde N2 é o número de espiras no enrolamento secundário, e N1 é o número de espiras no enrolamento primário. Desta forma podemos demonstrar que se o número de espiras no enrolamento secundário e maior que no enrolamento primário (N2>N1) o transformador é usado para elevar a voltagem, e no caso inverso (N2<N1) o transformador estará abaixando a tensão.

Contudo, após os processos de geração, transmissão e distribuição, a energia elétrica chega ao consumidor apresenta-se em forma de corrente alternada senoidal, com frequência constante de 60 Hz no caso do Brasil, no entanto há uma diversidade de aparelhos eletrônicos que necessitam ser alimentados com corrente contínua, assim surge à necessidade de um circuito retificador de corrente, isto é, um circuito que transforme corrente alternada em corrente contínua.

OBJETIVOS

  • Analisar o experimento a fim de identificar seus componentes e a função desempenhada pelos mesmos.
  • Compreender os fenômenos envolvidos no qual se baseia o funcionamento dos equipamentos existentes na maquete.
  • Conhecer os processos de geração, transmissão e distribuição da energia elétrica, contribuindo assim para minimização do distanciamento entre tecnologia e usuário.

MATERIAIS UTILIZADOS

Para construção da maquete a ser utilizada nesta prática experimental foi utilizada os seguintes materiais: Uma tabua de 100×106 cm, palito de madeira (picolé e de churrasco), dois transformadores, tintas em diversas cores, fio de cobre esmaltado, vinte três leds de 2,5V, papel cartão, motor de impressora, hélice.

Figura 1- Maquete representativa dos componentes do sistema elétrico.
Fonte: Arquivo pessoal do pesquisador.

PROCEDIMENTOS DE MONTAGEM

Para montagem da maquete foi utilizado inicialmente tintas spray para pintar o rio, matas, ruas, montanha, casas e edifícios. Em seguida foi construído e fixado na tabua as casas, edifícios, bancos da praça, arvores, postes e o sistema de geração de energia empregando uma hélice acoplada a um gerador, logo após, efetuou-se a ligação dos terminais do gerador ao da entrada do transformador localizado na estação elevadora, para assim efetivar o aumento da tensão fornecida pelo gerador.

Figura 2- Sistema de geração de uma usina eólica, ao lado estação elevadora de tensão.
Fonte: Arquivo pessoal do pesquisador.

Posteriormente, foi conectado aos terminais da saída do transformador fio de cobre esmaltado a fim de realizar o sistema de transmissão da energia elétrica da usina eólica à estação abaixadora próxima ao centro consumidor, onde por meio de um transformador foi abaixada a tensão.

Figura 3- Rede de transmissão e estação abaixadora de tensão, próxima ao centro consumidor.
Fonte: Arquivo pessoal do pesquisador.

Desta forma utilizando o fio esmaltado realizou-se a ligação aos terminais da saída do transformador, efetivando em seguida a distribuição de energia elétrica aos consumidores, onde foi utilizado leds para representar a iluminação pública.

Figura 4- Redes de distribuição de energia no centro consumidor.
Fonte: Arquivo pessoal do pesquisador.

ROTEIRO EXPERIMENTAL – PARTE I

Na parte I desta prática experimental será realizada a análise da maquete, a fim de estudar seus componentes, levantando hipóteses acerca do papel desempenhado pelos mesmos.

  1. Identifique os componentes desta maquete. Qual procedimento deve ser inicialmente realizado para que efetue seu funcionamento?
  2. Nas usinas eólicas qual a função do gerador? Discuta o princípio de funcionamento deste equipamento.
  3. Observando a maquete, podemos verificar os processos do qual é constituído o sistema elétrico brasileiro. Discuta a respeito da função desempenhada pelo transformador ao longo desses processos.
  4. Seria possível efetuar o aumento de tensão em corrente continua utilizando um transformador? Se utilizássemos a corrente continua na transmissão da energia elétrica, seria necessário convertê-la em corrente alternada antes da distribuição? Justifique.
  5. Utilizando um voltímetro meça a voltagem que entra e que sai dos terminais do transformador aumentador de tensão. Logo após realize a medida da voltagem nos terminais de entrada e de saída para o transformador abaixador de tensão. Comente os resultados alcançados? Eles são condizentes com o esperado?
  6. Debata as vantagens existentes acerca da utilização da energia eólica em relação a outros tipos de geração.

ROTEIRO EXPERIMENTAL – PARTE II

Na parte dois desta prática será aprofundado os conhecimentos relacionados ao desenvolvimento histórico da utilização da eletricidade para fins comerciais, através das pesquisas em livros, revistas, artigos e na internet (fontes com credibilidade) promovendo assim um debate em sala de aula.

  1. Após decorrer dez anos desde as primeiras investigações sobre o eletromagnetismo pelo físico Michael Faraday, este chega à elaboração no ano de 1831 das leis da indução eletromagnética. Neste âmbito de pesquisas que se efetuavam os trabalhos de Faraday, este desenvolve o primeiro gerador. Porém de tal aparato não foi extraído qualquer aplicação que influenciasse na época, mas marcou o início de novas invenções decorrentes dos estudos sobre eletromagnetismo. Investigue e discuta em sala de aula a contribuição dos principais estudiosos no processo de desenvolvimento dos geradores.
  2. É sabido que Thomas Edison foi o primeiro a investir na ampliação e aproveitamento da eletricidade para fins comerciais, implantando a primeira usina elétrica que fornecia energia em corrente continua. Discuta o contexto histórico em que tais propostas foram inseridas.
  3. Através dos estudos do croata Nikola Tesla, tornou-se possível gerar e distribuir energia elétrica em corrente alternada, de modo a superar as limitações da sua concorrente. Pesquise e discuta: Quais fatores históricos e sociais influenciaram na descoberta de Tesla. Como ocorreu o processo de inserção do sistema elétrico em corrente alternada ao longo dos anos. Quais vantagens apresentadas em relação a corrente continua, favoreciam a implantação desse sistema.
  4. Sabe-se que a corrente elétrica que chega ao consumidor, é alternada, no entanto há uma grande diversidade de aparelhos que só funcionam quando são alimentados com corrente continua, diante disso faz-se necessário a utilização de um retificador. Pesquise que tipos de aparelhos funcionam com corrente alternada e quais funcionam com corrente continua.
  5. Atualmente vivemos rodeados de aparelhos elétricos e eletrônicos, que são indispensáveis, para nosso bem-estar. Contudo é necessário conscientizarmos de que utilizamos um recurso natural para produção do insumo necessário ao funcionamento desses aparelhos. Diante dessa temática lista os aparelhos existentes em sua casa, e elabore estratégias viabilizadoras de um consumo mais econômico.

[1] Licenciada em física, Professora.

[2] Doutor em engenharia Agrícola, Mestre em física Aplicada, Graduado em física. Professor EBTT.

[3] Graduada em engenharia civil, Especialista em engenharia da qualidade, Professor EBTT.

Enviado: Dezembro, 2018.

Aprovado: Março, 2019.

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