Edição atual tal como 21h13min de 6 de novembro de 2010

Qualificação: Introdução

Voltar para 2010bEquipe09.

Problemas

O ensino em geral, no Brasil, não recebe o valor que deveria. Talvez seja pela acomodação que tivemos historicamente, onde a primeira fonte de educação para os seres aqui residentes no período colonial consistia apenas em ensino religioso, enquanto no mundo já havia muito estudo científico na época. Isto acarreta um atraso na cultura que já havia sido invadida pelos europeus com seus costumes, e leva a concluir que o tal “ensino” não era para o aprimoramento da intelectualidade dos “alunos”, mas para o domínio de seus senhores. Devido ao fato de o país ser apenas fonte de recursos naturais, o que interessava era mão-de-obra, não a intelectualidade dos “trabalhadores”, assim, passaram-se séculos com essa situação, onde apenas os colonizadores tinham acesso ao ensino de boa qualidade fora do país. A partir do século XX que o ensino científico começou a vigorar no país e as pessoas poderiam ter acesso às poucas universidades que existiam e ao ensino básico, fornecido pelo governo. Porém, ainda não se tinha estrutura adequada para o ensino em massa, quesito que demorou para se adequar.

Atualmente, vê-se, ainda, que o ensino de qualidade não é para todos. A criminalidade/pobreza interfere em vários casos, talvez pelo fato de as pessoas que a causam/vivem não terem sua afinidade por conhecimento atiçada e, novamente, acomodarem-se na situação em que se encontram. Entretanto, visando àqueles interessados na busca do conhecimento e direcionado aos que ingressam este conhecimento às ciências exatas, particularmente às engenharias, é cabível este projeto.

Objetivos

O estudo de Física é, sem dúvida, um item necessário para a área de engenharias em geral. Assim como o estudo de outras disciplinas da área das ciências exatas (por exemplo, Cálculo Diferencial e Integral, Álgebra Linear, Geometria Analítica, etc.), o entendimento de Física é essencial para o decorrer das disciplinas avançadas profissionalizantes de cada engenharia, possibilitando, assim, a observação e o estudo de fenômenos aparentemente simples ou inexplicáveis para leigos no assunto. A observação de um fenômeno leva o estudante ao aprimoramento da intuição e melhor entendimento do que está estudando, não apenas tendo como base uma bateria de equações aplicáveis para determinadas situações que podem ser confusas e incompatíveis com a lógica obcecada do aluno. Porém, devido à falta de recursos financeiros das instituições públicas e, conseqüentemente, à falta de equipamentos adequados para o detalhamento adequado do estudo de Física, levam o aluno a se acostumar com situações ideais que não condizem necessariamente com a realidade. Com base nestes quesitos e na experiência que a equipe teve até agora com o presente curso, aproveitou-se a oportunidade da decorrente disciplina para o desenvolvimento deste projeto. Tendo em vista a precariedade de recursos para adquirir novos e modernos equipamentos para aprimorar o estudo de Física na área de ótica/eletromagnetismo (atual disciplina de Física IV na universidade), surgiu a idéia de desenvolver uma ferramenta de ensino de baixo custo para a observação do efeito Faraday, que consiste na polarização da luz através da interferência de um campo magnético.

Justificativas

O fato de haver pouca infra-estrutura informatizada na área de Física levou a equipe a utilizar equipamentos simples já desenvolvidos em projetos anteriores para o desenvolvimento do aparato abordado. Assim, unificou-se a habilidade já realizada por outras equipes com a idéia atual, sem a necessidade de redundâncias para o desenvolvimento de tecnologias semelhantes para um mesmo fim, mantendo o objetivo principal possível de ser realizado no tempo disponível para estudo, pesquisa, construção e apresentação bem-sucedida deste projeto. Com a realização do aparato, a equipe diminuirá a carência de equipamentos para o estudo e observação de fenômenos relacionados com a matéria de Física IV, podendo, assim, com certa aquisição de recursos financeiros, ser possível a ampliação destes equipamentos, objetivando um menor gasto para a eficiência do ensino da universidade.

Embasamento Histórico

No início do ano de 1791, em meio aos desdobramentos da Revolução Francesa e com a crise do comércio agravando a situação econômica na Inglaterra, James Faraday viu-se obrigado a deixar a vila de Outhgill, na região noroeste da Grã-Bretanha, e seguiu com sua família para Londres. À época, James Faraday tinha já dois filhos, Elisabeth e Robert, e trazia sua esposa, Margaret Hastwell, grávida de poucos meses. (BALDINATO, 2009, p.32) Michael Faraday começou a trabalhar ainda durante a infância. Aos quatorze anos ele foi admitido como aprendiz de encadernador, depois de um período prestando pequenos serviços de entregas e recados para a livraria do Sr. George Riebau. (BALDINATO, 2009, p.33) Fato, este, que foi essencial para o início de seu aprendizado. Em suas tarefas, Faraday, que lia vários livros da primeira à última página, acabou tendo seu interesse científico despertado em sua juventude. Faraday também realizava várias experiências simples que encontrava nos livros que lia, aprimorando sua técnica e pesquisa científica.

Os livros foram apenas o breve começo de sua jornada científica. Faraday, então, começou a assistir aulas, palestras e conferências, entre elas, as do químico Humphry Davy, um dos mais famosos da época como conferencista. (CROPPER, 2009, p.138) Humildemente, Faraday pediu um emprego para Davy, após o emprego na livraria. Davy o contratou como secretário, inicialmente, depois o promovendo para assistente em suas pesquisas. Logo que iniciou seu aprendizado científico, Faraday acompanhou Davy em uma viagem pela Europa, na qual acabou conhecendo vários cientistas da época, como Alessandro Volta, André-Marie Ampère, e Joseph Gay-Lussac. Entre suas tarefas científicas, Faraday fazia conferências sobre Química, utilizando o conhecimento obtido com Davy. Através de suas pesquisas em eletroquímica, Faraday conseguiu obter cloro líquido, descobriu o benzeno e as leis da eletrólise. Porém, seu destaque científico fica na área do eletromagnetismo. Por exemplo, em 1821, a demonstração de Hans Christian Oersted com eletricidade e magnetismo mostrou que há interação entre um fio que passa corrente elétrica e um imã. Faraday, no mesmo ano, comprovou este fenômeno, publicou-o, e ainda realizou um experimento fazendo a interação do fio com o magnetismo terrestre. Outra grande descoberta foi a possível conversão de energia mecânica em elétrica (dínamo). As descobertas e pesquisas de fenômenos eletromagnéticos de Michael Faraday trouxeram à Física um novo marco histórico, atualmente conhecido como Física Moderna.

Grande parte de sua vida voltou-se ao estudo da indução eletromagnética e suas aplicações. Faraday era um homem forte por natureza, mas enfraqueceu-se tragicamente por uma “doença ligada à cabeça”, em suas próprias palavras (CROPPER, 2009, p.144). Mesmo jovem, Faraday tinha problemas de memória e, com o passar do tempo, dores de cabeça e depressão assolaram sua situação. Devido a seus problemas com a saúde, o cientista precisou se distanciar por um tempo de suas pesquisas e análises laboratoriais. Entretanto, após receber uma carta de William Thomson, um estudante de Cambridge, Faraday voltou ao laboratório para analisar o que seria uma de suas maiores descobertas. Na carta, Thomson fala sobre um fato já conhecido por Faraday, o efeito de campo elétrico em dielétricos, e especulou se este campo interagiria com a polarização da luz que passasse pelo dielétrico. (CROPPER, 2009, p.144) O fenômeno de polarização da luz já era conhecido há anos. Após cerca de dez anos da carta de Thomson, Faraday tentou detectar alguma interferência no plano de polarização de um raio de luz que passasse pelo dielétrico carregado. Entretanto, após várias tentativas modificando o experimento, não obteve sucesso. Porém, ao mudar o campo elétrico por um forte campo magnético, Faraday conseguiu o resultado que esperava. Por volta de 1845, Faraday preparou uma série de experiências baseadas em sua análise anterior. No lugar do dielétrico que havia utilizado, ele tentou vários tipos de cristais e vidros diferentes, variou o campo magnético e as posições dos pólos, mas ainda não obteve sucesso como pretendia. Quando ele experimentou utilizar um vidro lead que havia desenvolvido cerca de quinze anos antes, o momento de glória chegou. Em suas próprias palavras, no diário que mantinha em suas experiências:

"Um pedaço de heavy glass, que tem 2x1,8 polegadas e 0,5 polegada de espessura, sendo um sal de chumbo, polido em suas extremidades foi utilizado. Não houve efeito quando os mesmos pólos magnéticos ou os pólos contrários estavam em lados opostos (utilizando como base os raios de luz polarizada) – nem quando os pólos estavam do mesmo lado, com a corrente constante – MAS, quando os pólos magnéticos opostos estavam do mesmo lado, houve uma interferência produzida na luz polarizada, e então, foi provado que a força magnética e a luz têm uma relação interativa. Este fato, provavelmente provará quão férteis são e o grande valor das investigações de ambas as condições das forças naturais.” (CROPPER, 2009, p.145)

Certamente, Faraday comprovou a íntima relação entre ondas magnéticas e as ondas de luz, que são minúsculas ondas eletromagnéticas. Estes pequenos circuitos, existência do qual Ampère já sugeria, são interpretados como a rotação dos elétrons em volta do núcleo atômico. Considerando dois átomos idênticos colocados num campo magnético em que um deles gira no sentido horário e outro no anti-horário, um deles vai direcionar a força do átomo diretamente para o centro (sentido horário) e outro fará o contrário. Então, no primeiro caso, o raio do elétron diminuirá e a freqüência de rotação aumentará, enquanto no segundo caso, ocorrerá o contrário. Este efeito de comportamento atômico entre horário e anti-horário afetará a propagação eletromagnética (luz) através do material em que ela está sendo incidida, ou seja, o resultado do “efeito Faraday”. (GAMOW, 1961, p.148) Persuadido pelo resultado que obteve entre a interação destes dois fenômenos naturais, Faraday tentou estabelecer uma relação entre as forças eletromagnéticas e as forças da gravidade. Por volta de 1850, ele escreveu em seu diário:

“Gravidade. Certamente esta força deve ser capaz de ter uma relação experimental com a eletricidade, magnetismo e outras forças, que possam ser recíprocas e equivalentes em efeito.”

Infelizmente, ele não conseguiu nenhum resultado positivo com seus experimentos, mas não desistiu de sua teoria, mesmo não tendo nenhuma prova concreta. Um século depois outro cientista tentou validar a teoria de Faraday, mas também sem sucesso. Entretanto, assim como Faraday, Albert Einstein faleceu sem ser capaz de cumprir esta tarefa. (GAMOW, 1961, p. 149)

Embasamento Teórico

Didática em Experimentos de Física

No ensino da Física, tanto no ensino médio quanto na graduação, nota-se a importância da física experimental para a compreensão de certos fenômenos da natureza. Tais experimentos são realizados com o intuito de constatar o que é estudado em teoria, visando, de forma didática, mostrar o que realmente acontece em situações vistas hipoteticamente. É importante em uma instituição que ofereça cursos de graduação como Bacharelado em Física e vários tipos de Engenharias, que têm como base a Física, tenha uma estrutura munida de laboratórios apropriados para as experiências relacionadas às diversas áreas da Física.

Na área da informática, a aquisição de novos recursos relacionados à física experimental pode ser feita através do uso de softwares livres. Isso vem sendo feito cada vez mais para ampliar o acesso, que se tratando de instituições públicas deve ser amplo e aberto. Quanto aos materiais utilizados em laboratórios de universidades, para experiências, procura-se ao máximo desenvolvê-los nas próprias instituições, procurando um baixo custo e eficiência. Alguns experimentos tornam-se inviáveis por conta dos recursos necessários para que possam ser realizados. É constante a tentativa de encontrar novas soluções que possam viabilizar tais experimentos. Constantemente trabalhos são acrescentados por parte dos alunos, que buscam aprender com desenvolvimento de tais experimentos.

O aluno que passa estudar a física teórica tanto não pode se prender a situações hipotéticas na resolução de problemas, quanto a situações reais no estudo de fenômenos físicos. A importância da didática no estudo da física está relacionada com a extrapolação dos conceitos na parte teórica, que acaba se tornando incompreensível quando é tratada apenas com questões teóricas, normalmente usando de modelos idealizados. As instituições procuram preencher uma boa parte da carga horária dos alunos com aulas de laboratório, para que haja o máximo de estudos práticos, dando uma maior capacitação na resolução de problemas e no desenvolvimento de artefatos para o cotidiano social. O Efeito Faraday, por exemplo, pode ser obtido de forma material, dando uma visualização real para o que é estudado em sala de aula, e o seu experimento passou a ser desenvolvido com esse trabalho.

O ensino de Física, porém, não se resume às práticas laboratoriais. É importante que o aluno compreenda aquilo que está estudando de uma forma clara, mas isso nem sempre será possível sem o embasamento teórico ao qual ele é submetido.

No aspecto didático, os experimentos realizados em laboratório trazem uma melhor visualização, uma diferente perspectiva daquilo que é posto nos livros base para o ensino da Física. O aluno que tem contato com tais experiências apresenta diferentes formas de assimilar um conteúdo que deve compreender ou ter conhecimento ao fim de sua graduação. No aspecto pedagógico, os experimentos trazem uma melhor forma de passar o conteúdo estudado e que o aluno deve aprender durante o curso, viabilizando uma aprendizagem de forma diferenciada, uma vez que ele estará pondo em prática o que foi estudado em teoria, permitindo a comprovação de resultados práticos próximos ou iguais aos teóricos.

“Buscamos o envolvimento dos estudantes de Engenharia em um processo que pretende o estudo, o desenvolvimento, a implementação, o uso e a divulgação de Tecnologias Livres no Ensino de Física, de modo a facilitar sua difusão em laboratórios de física comuns, em escolas de perfis múltiplos, favorecendo a livre apropriação, a criatividade, e a adequação às realidades locais e regionais. Além do objetivo de melhorar as condições de ensino e aprendizado e de contribuir para qualificar projetos que envolvam formação de professores, cabe destacarmos a importância de se criar condições para a articulação de renovadas frentes de pesquisa, dando prosseguimento aos trabalhos e pesquisas em Ensino de Ciências que vêm sendo por nós realizados” (BEZERRA-JR et al., 2008, 2009; SAAVEDRA et al., 2008)

Desenvolvimentos computacionais estão cada vez mais presentes em experimentos de Física. Desde simuladores de experiências até aparelhos programados ou adaptados para o uso em experimentos. Muitos têm a função ou o intuito de aperfeiçoar os resultados obtidos. Simuladores de experiência visam reproduzir um experimento que possui alto custo, ou reprodução inviável, dando uma visão não exatamente real, mas ainda diferente de uma situação estudada em teoria.

Uma prática laboratorial de Física reflete numa melhor compreensão de conceitos que devem ser ensinados aos alunos, e é uma forma que traz uma melhor visualização do que é estudado em teoria. A tentativa de executar tais práticas é um desafio que vem sendo superado, trazendo uma evolução no âmbito da educação, melhorando a qualidade no ensino e no aprendizado da Física em escolas e universidades.

O Efeito Faraday

Luz é a radiação eletromagnética na estreita banda das frequências de 3,84 x 10¹⁴ Hz a aproximadamente 7,69 x 10¹⁴ Hz, geralmente produzida pelo rearranjo dos elétrons mais externos dos átomos e moléculas (HECHT, 2002, p. 76). De fato, tratando a luz por este modelo e considerando que se trata de uma onda transversal, ela herda várias características e comportamentos das ondas em geral, entre as quais a polarização.

A polarização linear da luz consiste no fato de que o seu vetor campo elétrico associado resultante E e o vetor de propagação k estão sempre em um mesmo plano, denominado plano de polarização (PRESTON; DIETZ, 1991, p. 356). Um facho de luz comum consiste em um grande número de ondas emitidas pelos átomos da fonte de luz. Cada átomo produz uma onda possuindo uma orientação do vetor E particular, que caracteriza a direção da vibração atômica, e seu k; a onda resultante será uma superposição de cada uma dessas ondas, sendo que cada uma vibrará em uma direção independente das outras, produzindo um vetor resultante E variável no tempo. Obtém-se um facho de luz polarizado quando descartamos todas as ondas senão aquelas que possuem um mesmo vetor E (SERWAY et al., 2000, p. 1230).

Podemos atingir este objetivo utilizando um polarizador, que recebe algum tipo de luz na entrada, e devolve luz polarizada de alguma forma na saída – entre polarização linear, circular ou elíptica; estes dispositivos variam em eficácia sendo os menos eficazes chamados de polarizadores parciais (HECHT, 2002, p. 332). O polarizador mais comum utilizado é o Polaroide, descoberto por E. H. Land em 1938, fabricado em folhas finas compostas por hidrocarbonetos de cadeia longa, esticados de tal forma que as moléculas se alinham; após um banho em iodo, essas moléculas tornam-se boas condutoras de eletricidade, passando a absorver seletivamente as ondas de luz em planos de polarização diferentes da orientação das moléculas (SERWAY et al. 2000, p. 1230).

Chamamos de meio opticamente ativo aquele que é capaz de rotacionar o plano de polarização de uma luz linearmente polarizada (PRESTON; DIETZ, 1991, p. 356); o fenômeno da atividade óptica é extremamente complicado, e apesar de poder ser tratado em termos da Teoria do Eletromagnetismo clássica, na verdade ela requer uma solução no domínio da Mecânica Quântica(HECHT, 2002, p. 363). Apesar de poder ocorrer naturalmente como resultado da característica helicoidal das moléculas do meio, Michael Faraday observou em 1845 que essa propriedade poderia ser induzida no vidro aplicando-se um campo magnético externo paralelo à direção de propagação da onda, o que ficou conhecido como o Efeito Faraday, e pode ser observado em praticamente qualquer meio transparente.

Experimento para Demonstração Efeito Faraday

Materiais

Montagens

Cronograma de Trabalhos

Referências