FICHA PARA CATÁLOGO

PRODUÇÃO DIDÁTICO PEDAGÓGICA

PDE - 2012

Título Utilização de uma bicicleta geradora de eletricidade para fins didáticos

Autora Eva Rosane Zulpo

Escola de Atuação Colégio Estadual Desembargador Antonio Franco Ferreira da Costa. Ensino Fundamental, Médio e Profissional

Município da escola Guaraniaçu

Núcleo Regional de Educação Cascavel

Orientador Dra. Célia Kimie Matsuda

Instituição de Ensino Superior Universidade Estadual do Centro-Oeste (UNICENTRO)

Disciplina/Área Física

Produção Didático-pedagógica Unidade Didática

Relação Interdisciplinar Matemática, Biologia, Educação Física

Público Alvo Alunos da 3º série do Ensino Médio

Formato do material Unidade Didática

Resumo O estudo da geração de energia e suas transformações utilizando a experimentação justifica-se pelo fato de aperfeiçoar a compreensão por parte dos alunos no funcionamento de geradores de energia das leis e conceitos que regem o funcionamento de um gerador.Para isso será utilizada uma bicicleta geradora de energia e através do experimento analisar e quantificar os resultados obtidos.

Palavras - chave Geradores, transformações de energia, experimentação.

SEED – Secretaria de Educação do Paraná

UNICENTRO- Universidade Estadual do Centro-Oeste do Paraná

Programa de Desenvolvimento Educacional – PDE

PRODUÇÃO DIDÁTICO-PEDAGÓGICA

UNIDADE DIDÁTICA

UTILIZAÇÃO DE UMA BICICLETA GERADORA DE ELETRICIDADE

PARA FINS DIDÁTICOS

Professora – PDE : Eva Rosane Zulpo

Orientador : Prof. Dra Celia Kimie Matsuda

Guarapuava

2012

1. IDENTIFICAÇÃO

1.1 Professora PDE/Guaraniaçu: Eva Rosane Zulpo

1.2 Área: Física

1.3 NRE: Cascavel - Pr

1.4 Professor Orientador IES/UNICENTRO: Profa. Dra. Celia Kimie Matsuda

1.5 IES vinculada: Universidade Estadual do Centro-Oeste – Guarapuava

1.6 Escola de Implementação: Colégio Estadual Desembargador Antônio Franco

Ferreira da Costa – Ensino Fundamental, Médio e Profissionalizante.

1.7Público objeto da intervenção: Alunos da 3º série do Ensino Médio

1.8 Produção Didático-pedagógica: Unidade Didática

1.9 Título : Utilização de uma bicicleta geradora de eletricidade para fins didáticos.

1.10 Tema: Estudo da geração de energia e suas transformações utilizando a

experimentação.

2) APRESENTAÇÃO

Este trabalho no formato de Unidade Didática foi realizado pela professora PDE

Eva Rosane Zulpo na disciplina de Física, tendo como objetivo a utilização de uma

bicicleta geradora de energia elétrica para aperfeiçoar a compreensão do funcionamento

de geradores de energia pelos alunos do 3º ano do Ensino Médio.

Na expectativa de auxiliar os alunos no estudo da geração de energia, esta

unidade didática propõe que o encaminhamento seja realizado por meio de um

experimento (utilização da bicicleta geradora de eletricidade) aproveitando seus

conhecimentos já adquiridos de outros sistemas (casa, trabalho, televisão, visitas a

usinas) para aprimorar sua percepção do fenômeno apresentado para se chegar ao

teórico sistemático.

Todos os tópicos produzidos nesta unidade estão voltadas para que os alunos

sejam beneficiados por uma aula diferenciada, dinâmica de uma forma mesclada

( qualitativa e quantitativa), seguindo uma sequência lógica para atender ao estudo de

geradores de energia e suas transformações.

3) Introdução

O uso da energia elétrica para propiciar o funcionamento de

eletrodomésticos, chuveiros ou para o simples ato de acender uma lâmpada para facilitar

uma leitura é realizado de forma tão mecânica pelo usuário que ele simplesmente ignora

o processo que leva a esse fim: centenas de quilômetros de extensão de condutores

elétricos no interior dos quais a corrente passa de ponta a ponta dando origem ao um

grande circuito.

Se observar com atenção as tomadas de nossa casa, as mesmas estão

ligadas a uma rede elétrica, que fica escondida entre o telhado e forro da casa. Essa rede

está ligada aos fios que vêm de um poste onde existe uma caixa de distribuição. Nessa

caixa há um relógio de luz, que serve para medir a energia consumida nessa residência.

O relógio de luz é ligado aos fios da rua, e esses são ligados aos transformadores que

estão localizados em postos estratégicos da rede. Os fios da rua provém de uma

subestação rebaixadora de tensão, que está ligada por cabos de alta tensão a outra

subestação, que está ao lado da usina geradora de energia elétrica, na qual a função é

elevar a tensão gerada pela usina para ter menos perdas de energia elétrica ao ser

transportada à longas distâncias. Assim, é possível perceber que quando um aparelho

elétrico é ligado um circuito elétrico é fechado demandando quilômetros de fios e vários

componentes elétricos.

No Brasil, a energia elétrica que chega até os lares provém de grande

usinas geradoras de energia, em sua maioria as hidrelétricas, que usa o represamento da

água por meio de barragens proporcionando um desnível da água capaz de movimentar

grandes turbinas. Essas turbinas estão ligadas aos geradores de eletricidade, onde a

energia mecânica de rotação é transformada em energia elétrica que alimenta as

subestações elevadoras de tensão.

Atividade 1 : A eletricidade no Brasil e a rede de transmissão local

Através de pesquisa ou entrevista com profissionais da área consiga as

seguintes informações:

1) Quando e onde foi instalada a primeira usina hidrelétrica no Paraná e no

Brasil? E a primeira termoelétrica ?

2) Onde e quando foi instalado o primeiro sistema de iluminação pública ?

3) Que tipos de usina de produção de energia elétrica temos em nosso país?

Qual a mais abundante?

4) Qual a tensão da fiação da rede elétrica da sua cidade?

5) Qual a localização da subestação elétrica de sua cidade?

6) Qual a tensão elétrica que chega e sai dessa subestação?

7) Qual usina elétrica que alimenta essa subestação e sua potência instalada?

4) Geradores e Alternadores

Basicamente o gerador de uma grande usina é composto por uma carcaça

metálica fixa, o estator, onde existem fios enrolados. No interior do estator há um conjunto

de enrolamentos que estão presos ao eixo do gerador, o rotor, que gira acoplado a turbina

fornecendo energia mecânica ao sistema. Nos enrolamentos do estator é obtida a energia

elétrica.

A figura mostra o gerador de uma usina:

Figura 1 – Exemplo de turbina

fonte: http://energiarenovavel.wordpress.com

No alternador de automóvel, outro tipo de gerador de energia elétrica. A energia

mecânica provém do motor e a transformação de energia mecânica em elétrica acontece

através da movimentação do rotor do alternador, que cria um campo magnético induzindo

a movimentação dos elétrons nas bobinas do estator que é fixa. Na construção da

bicicleta geradora de energia elétrica, uma das partes é o alternador e a energia

mecânica será proveniente do esforço muscular do ciclista.

Figura 2 – Exemplo de alternador

fonte: http:/www.oficinaecia.com.br

Atividade 2 : montagem da bicicleta geradora de energia

Material:

- 1 bateria comum 12V/45A;

- 1 bicicleta comum ou 1 bicicleta ergométrica (facilita para medir a velocidade)

- 1 correia;

- 2 pedaços de madeira: um de 40cm x 25cm e outro de 50cm x 10cm;

- 1 alternador;

- Condutores: Para ligar o alternador a bateria e para ligar a bateria a carga

(lâmpadas, cerca elétrica, caixa de força e etc.);

- Porcas e parafusos;

Desenvolvimento:

a) Retire a roda dianteira da bicicleta e o pneu da roda traseira;

b) Faça um furo em uma das extremidades do pedaço de madeira de 40cm e

prenda longitudinalmente o garfo da bicicleta com as porcas e os parafusos. Para maior

estabilidade, apoie o eixo dos pedais na madeira;

c) Calce o suporte com o outro pedaço de madeira, o de 50cm, deixando-o logo

abaixo do garfo traseiro e a uma distância suficiente para que a roda possa girar;

d) Coloque a correia na roda traseira e na polia do alternador, permitindo que a

velocidade do pneu seja igual a velocidade da polia;

e) Com os condutores, ligue o alternador à bateria, e a bateria à carga;

f) Ao girar a roda traseira, a correia aciona o alternador que carrega a bateria.

Desconecte os condutores que ligam o alternador a bateria, para poder colocá-la em uso;

Dica: Como seria impossível saber a variação da amplitude da tensão, pode-se

ainda usar reguladores de tensão simples como Diodos Zener, ou reguladores de três

terminais, que tem por finalidade manter a tensão produzida pelo alternador dentro dos

limites exigidos pela bateria e/ou pela carga que será alimentada.

Obs.: Quanto maior a capacidade de corrente da bateria, a "amperagem", maior

vai ser o armazenamento de energia, e para armazenar mais energia, obviamente, é

necessário pedalar por mais tempo.

Veja o esquema onde tem-se a montagem da bicicleta para utilização em uma

área rural :

Figura 3 – montagem da bicicleta geradora de eletricidade

fonte: www.globorural.com.br

Para se compreender o funcionamento da produção da corrente elétrica em uma

usina ou em um alternador de automóvel faz-se necessário do conhecimento de uma das

leis fundamentais do eletromagnetismo, a lei de Faraday, e com ela será possível

entender melhor o funcionamento de um gerador.

5) Lei de Faraday

Uma experiência realizada por Oersted em 1820 revelou a possibilidade

de se obter um campo magnético a partir da corrente elétrica. Em 1831, Michael Faraday

descobriu o recíproco, um campo magnético pode induzir um campo elétrico, fenômeno

denominado indução eletromagnética.

Para comprovar sua hipótese montou o seguinte experimento: enrolou

duas espiras de fio em um anel de ferro, ligando uma delas numa bateria e a outra num

galvanômetro (aparelho que detecta corrente elétrica). Verificou, assim, que ao ligar e

desligar a bateria, o galvanômetro acusava uma corrente instantânea, apesar das espiras

estarem mutualmente desconectadas. Concluiu que esse efeito tratava-se de uma

corrente induzida pelo campo magnético da espira ligada à bateria. A figura abaixo mostra

o esquema da experiência:

Figura 4

Resumindo a Lei de Faraday teremos:

Sempre que ocorrer uma variação do fluxo magnético através de um

circuito, aparecerá nesse circuito, uma força eletromotriz (f.e.m) induzida. O valor da

f.e.m. é dada por:

ε = ∆ Ø

∆ t

em que ∆Ø é a variação do fluxo magnético em um intervalo de tempo ∆ t .

O gerador de corrente alternada é uma das aplicações da indução

eletromagnética. Por meio desse dispositivo, como já mencionado, consegue-se

converter energia mecânica em energia elétrica. Um gerador de corrente alternada é

constituído basicamente de uma espira (ou um conjunto de espiras) girando numa região

onde existe um campo magnético. Enquanto a espira gira, pode-se perceber que há uma

variação do fluxo magnético através dela. Isto ocorre porque a inclinação da espira, em

relação ao campo magnético, está variando continuamente. Então uma força eletromotriz

é induzida na espira, gerando uma corrente que será indicada pelo amperímetro.

6) Transformadores

São equipamentos capazes de alterar os valores da tensão de circuitos

elétricos com tensão e correntes alternadas, como já destacamos anteriormente usado

principalmente em redes elétricas. Segundo Máximo, Alvarenga (2011,p.288) o

transformador funciona da seguinte forma:

Quando uma voltagem constante V1, é aplicada ao primário de um transformador,

o fluxo magnético através do secundário será também constante, não havendo,

portanto, uma voltagem induzida nesta bobina. Quando a voltagem aplicada ao

,primário é alternada, um fluxo magnético variável atravessa as espiras do

secundário e uma voltagem induzida V2 aparece nos extremos desta bobina.

Figura 5 - Transformadores

fonte:http:/www.geocites.ws/saladefisica7/

Os transformadores também estão presentes na maioria dos aparelhos elétricos

e eletrônicos tais como, por exemplo, computador, televisor, aparelho de som. Cabe-lhes

aumentar ou abaixar a tensão da rede doméstica, de forma a alimentar convenientemente

os vários circuitos elétricos que compõem os aparelhos.

7) Potência

Segundo Pietrocola ( 2010 ) o conceito de potência, importante em

aplicações teóricas e práticas, é definido como a razão entre o trabalho feito para realizar

uma dada tarefa, pelo tempo gasto durante a sua realização. A unidade de potência no

sistema internacional é o Watt. Em circuitos elétricos, o movimento das cargas elétricas

pode ser utilizado para acionar um motor ou para aquecer o circuito. A potência elétrica é

a taxa na qual energia elétrica é convertida em energia térmica ou outras formas de

energia. A potência dissipada nos vários componentes do sistema é determinada pelo

produto da corrente pela tensão, medidas em cada componente (P=Vi). O movimento

dos elétrons dentro dos componentes de um circuito elétrico tem como consequência a

conversão de energia elétrica em energia térmica, percebido pelo aumento de

temperatura dos componentes.

Atividade 3 : Cálculo da potência de um indivíduo ao pedalar uma bicicleta:

Segundo Cardoso (2009) para calcularmos a potência de um indivíduo ao

pedalar uma bicicleta devemos considerar a massa corporal m do mesmo, uma força F

aplicada no pedal, logo teremos:

F = m ⋅ a (1.1)

P = F ⋅V (1.2)

V = ω ⋅ r (1.3)

Então obtêm-se:

P = m ⋅ a ⋅ω ⋅ r (1.4)

Onde:

P = Potência

m = Massa

a = Aceleração

ω = Velocidade angular

r = Raio do pedal da bicicleta

Se o individuo pedalar usando uma força equivalente a 60% do seu peso, com

uma velocidade angular w na pedaleira, verifica-se que a potência dispendida é

de:

0.6 x m x g x w x r = P com base na Eq. 1.4

Por exemplo see considerar uma pessoa com massa de 75 Kg, uma bicicleta

com raio do pedal 18 cm pedalando com velocidade angular de 3,14 rad/s, tem-se:

0.6 x 75 x 9.8 x 3.14 x 0.18 = 249.4 W

Para transformar em KW basta dividir o valor encontrado por 1000

249,4 : 1000 = 0,2494 KW

Mantendo este ritmo, ao fim de 30 de minutos de exercício obtêm-se uma energia

acumulada de 0,2494 . 0,5 (meia hora) = 0,1247 KWh

8) Metodologia

O projeto será desenvolvido através da execução das seguintes etapas:

• Leitura de livros didáticos de Física do Ensino Médio que tratam do assunto

geradores de energia.

• Consulta em sites governamentais para pesquisa sobre a história da geração

de eletricidade no Brasil e estado do Paraná.

• Palestra de profissionais sobre geração de energia e os caminhos da

eletricidade até chegar em nossas residências.

• Montagem do aparato experimental ( bicicleta geradora de eletricidade ).

• Cálculo da potência de uma pessoa ao pedalar a bicicleta e explicação das leis

que envolve o fenômeno observado.

• Avaliar o aluno escrita e oralmente sobre seus conhecimentos sobre geradores

antes e após a realização do experimento.

9) Referências Bibliográficas

DIRETRIZES CURRICULARES DE FÍSICA DO ESTADO DO PARANÁ. Governo do

Estado do Paraná. Secretaria de Estado da Educação. Superintendência da Educação.

GREF Grupo de Reelaboração do Ensino da Física. USP/Eletromagnetismo. São Paulo:

Editora da Universidade de São Paulo, 2006.

MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Curso de Física, volume 3. São Paulo:Editora Scipione,

2011.

PIETROCOLA, M. et al Coleção Física em Contextos, volume 3. São Paulo: Editora

FTD,2010.

ROCHA, J. et al Origens e Evoluções das Idéias da Física. Salvador: Editora da

Universidade Federal da Bahia, 2002.

Tipler,P; Mosca,G. Física, volume 2. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2006.

http://energiarenovavel.wordpress.com

http:/www.oficinaecia.com.br

http:/www.efeitojoule.com

http:/www.geocites.ws/saladefisica7/

http:/www.globorural.com.br

Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) – http:/www.aneel.gov.br

http:/www.sel.eesc.sc.usp.br/protecao/conteudodehistoricobrasil.htm

http:/www.eletrobras.gov.br