Edição de 23h24min de 2 de novembro de 2010

Equipe: Hadryel R. A. Holanda, Kaya S. Abe, Pedro A. de Borba, Vitor M. Fylyk

Experimento para Demonstração do Efeito Faraday Interfaceado por Arduino

Introdução e Proposta

O Efeito Faraday consiste do fenômeno de que quando a maioria dos meios transparentes ou translúcidos estão imersos em um campo magnético, eles são capazes de rotacionar o plano de polarização da luz que passa neste meio perpendicularmente à direção do campo, ou seja, passam a ser opticamente ativos.

Pretendemos, a partir dos conhecimentos desenvolvidos por alunos que já cumpriram a disciplina de Oficina de Integração 1 e de nossas referências em Física Óptica e Moderna, criar um aparato utilizado para demonstrações em laboratório do Efeito Faraday. Deste modo, principalmente as aulas de Física 4 da UTFPR poderão ser enriquecidas com uma demonstração prática deste fenômeno.

Justificativa

Será um empreendimento que envolverá a pesquisa de metodologias de ensino e também de Física.

Um experimento prático é muito mais passível de tornar os alunos empáticos ao assunto que estão estudando. Os alunos na visão de cientistas passam a desenvolver uma intuição sobre o comportamento esperado da prática. A intuição permite que muito do trabalho seja dirigido mais pelo subconsciente do que pelo consciente, trazendo habilidade, destreza e arte à prática científica, porque cada etapa de um experimento não é totalmente lógica e racional.

A intuição e habilidade são adquiridas com experiência direta e concreta com ferramentas materiais.

Um jogador de futebol, por exemplo, pode ter nunca estudado o movimento da bola que joga, mas sabe como ela irá se comportar quanto chutada, devido à observação empírica que fez ao longo do tempo de prática; saber algumas fórmulas e equações sozinhas não é a mesma coisa que conhecer Física.

Registros

11/08 a 18/08 - Nos comunicamos por email e nos intervalos de aulas com constância, tentando discutir diversas ideias de projetos, entre elas a produção da matriz de LEDs para pesquisa biomédica conforme proposta do prof. Arandi, uma calculadora com mostrador em Braile, um reconhecedor de notas-moeda para cegos, uma aplicação para auxílio de ensino de língua estrangeira, um software para organização dos experimentos e materiais disponíveis no Departamento de Física (também proposta pelo prof. Arandi). Vemos as propostas existentes na Wiki da disciplina, e as ideias já desenvolvidas nos semestres anteriores. Discutindo internamente, chegamos a conclusão que estas ideias não eram de nosso inteiro interesse ou de viabilidade concreta para o momento. Na aula do dia 18, o prof. Merkle nos instiga a produzir uma calculadora simplificada para cegos, com teclas em braile e com disposição de respostas sonora; por ora, refletimos nesta possibilidade, uma vez que a data de entrega da proposta de projeto estava próxima, em uma semana. Neste período, conversamos informalmente com a professora Leyza Dorini, que nos informa que apresentará suas propostas na aula do dia 18/08, quando poderíamos ter uma ideia do que é possível de ser produzido.

20/08 - Durante a aula de Física 3, Vitor tem uma ideia para um projeto, que consistia em uma espécie de código óptico em matriz, com bits em três estados ao invés dos tradicionais dois estados; conversando com Pedro durante o horário de almoço, vê-se que a ideia pode ser interessante para o grupo. À tarde, Vitor expõe isso também a Hadryel. No intervalo da tarde deste dia, às 15:30, Vitor vai ao departamento de Informática em busca da professora Leyza, que está ausente. No mesmo dia, às 17:30, Vitor volta ao departamento, mas novamente não encontra a professora.

21/08 a 22/08 - Vitor desenvolve um pequeno programa para criar o código em matriz randomicamente, para efeitos de demonstração. As imagens resultantes são enviadas por email à prof. Leyza na madrugada do dia 23/08, junto com um texto explicando a proposta, e é encaminhado aos colegas da equipe para uma melhor elucidação.

23/08 - Ao entardecer, a prof. Leyza responde o email enviado, demonstrando interesse em refletir sobre a viabilidade do projeto, dando uma resposta mais firme no dia seguinte.

24/08 - Vitor e Pedro, de manhã, veem que a prof. Leyza ainda não respondeu ao email. Aproveitando um horário livre, a partir das 10h, vão à procura da professora Leyza; ela sugere que procurem o prof. Hugo Vieira, que teria mais afinidade com a proposta. Vão então em busca do prof. Hugo Vieira, que não está disponível. Percebendo a incerteza deste projeto, vão em busca do professor Arandi para verificar se ele seria pertinente à disciplina de Oficina de Integração 1; o prof. responde que em sua concepção, o projeto seria válido desde que aprovado pela prof. Leyza, candidata à ser orientadora para esta proposta, e que o prof. Hugo Vieira é muito ocupado, ou seja, seria difícil de encontrá-lo. Vitor e Pedro vão então ao CPGEI em busca do prof. Hugo, que não está disponível. Mesmo assim, continuam a procurar o prof. Hugo; vão no intervalo de 12h à 1:50 e não o encontram. Vitor sai em meio à aula de 13:50 à 15:30 para tentar encontrar o prof. Hugo novamente, mas não o encontra. No intervalo de 15:30 a 15:50, Vitor e Kaya redigem um email para a professora Leyza tentando confirmar a possibilidade de prosseguir com esta proposta. Vendo a perigosa proximidade da entrega da proposta e a indefinição acerca do projeto a ser executado, Vitor sai da aula no intervalo entre 15:50 a 17:30 e busca o prof. Arandi novamente para encontrar uma proposta alternativa; não encontra o prof. no departamento de Física, mas vê que ele estará disponível após as 17:30, e que naquele momento estava ministrando aula no bloco E. Durante a aula corrente, Vitor expõe isso à Kaya e Pedro. Kaya sai da mesma aula em busca do prof Hugo, que novamente não é encontrado. Porém, vai novamente em busca da prof. Leyza, que no relato de Kaya, não apresentou confiança em relação à proposta. Pedro então sai da aula e vai ao bloco E em encontro ao prof. Arandi, e combina de reencontrá-lo após as 17:30. Portanto, até às 17:30 deste dia, a equipe não tinha nenhum projeto definido. Pedro e Kaya conversam com o prof. Arandi no momento marcado, e depois de certo tempo de conversa ainda não havia certeza quanto à um projeto viável e de interesse da equipe. Após isso, vão ao encontro de Vitor, que está presente no treinamento para a Maratona de Programação que ocorre das 17:30 às 19:20. Expõem os dois que não obtiveram certeza com o prof. Arandi, mas que poderiam encontrar o prof. Nestor Saavedra na manhã do dia seguinte, que estaria na Universidade por ocasião de uma palestra. Pedro, Vitor e Kaya decidem então se encontrar às 8:20 da manhã seguinte na porta da sala do prof. Nestor.

25/05 - Vitor, Pedro e Kaya encontram-se na Universidade por volta do horário marcado. Vendo que a palestra do prof. Nestor somente ocorreria por volta de 10h, vão mais uma vez em busca do prof. Hugo, que mais uma vez não está presente. Ficam então à espera do prof. Nestor na porta de onde ocorreria a palestra à qual ele iria atender, no terceiro andar do bloco C. Vendo que eram passadas 10h e que a espera parecia vã, os três descem para o primeiro andar, onde encontram outras equipes também em insucesso quanto à escolha de proposta, que conversam com o prof. Merkle. Pedro e Vitor então aguardam que o prof. Merkle converse com as outras pessoas, enquanto Kaya reexamina as propostas existentes na Wiki da disciplina nos terminais disponíveis no corredor dos blocos A-D. Pedro expõe ao prof. Merkle a situação quando à indecisão da proposta, e pergunta ao prof. quais são as suas propostas. Kaya, Pedro e Vitor seguem então o prof. Merkle até o PPGTE, onde ele expõe suas propostas, e os três decidem por redigir uma das propostas indicadas, a saber, sobre a montagem de um laboratório de informática com fins didáticos. A exposição do prof. Merkle segue até 12h, ou seja, a proposta teria de ser redigida e impressa em 50 minutos; os três seguem então para a biblioteca. Durante a redação da proposta, lembram que o prof. Nestor haveria de expor suas ideias ainda no mesmo dia, na aula, e que seria aberta a possibilidade de rever a proposta entregue neste dia após esta exposição; buscam então nos livros propostas cabíveis à Física, área do prof. Nestor. Encontram o livro "The art of experimental physics", livro este com inúmeras experiências da área da Física, com um interessante experimento sobre o Efeito Faraday - sendo Vitor e Pedro alunos da Universidade no curso técnico, viram que era um experimento interessante pertinente à disciplina de Física 7 e 8, que não são muito ilustradas experimentalmente, assim como Física 4 para a graduação. Enfim, na aula apresentam a proposta comentada com o prof. Merkle, mas Pedro o adverte no decorrer da aula que poderíamos vir a modificar nossa proposta após a exposição do prof. Nestor. No mesmo dia, nos encontra o prof. Nestor, e propomos a ele que, com sua orientação, montemos o experimento sobre o Efeito Faraday. O prof. demonstra então grande interesse e confirma que faremos este projeto. Na semana corrente, é proposta é refeita para que se adeque ao novo projeto, e o prof. Nestor nos passa alguns documentos referentes à projetos anteriores orientados por ele para a disciplina de Oficinas de Integração, que viriam a ser úteis para este projeto.

01/09 - A equipe entrega a nova proposta, e começa a juntar referências e bibliografia para um aprofundamento no assunto da proposta, com vistas a preparar a redação da Qualificação. Kaya encontra alguns artigos referentes ao Efeito Kerr (fenômenos relacionado ao efeito Faraday) e alguns documentos referentes a experimentos já executados. Vitor encontra no portal CAPES alguns artigos sobre campos magnéticos, otimização de efeitos óptico-magnéticos, artigos de história sobre Faraday e seus experimentos entre outros. A equipe elabora um conjunto de itens a serem abordados no trabalho a vir. A prof. Myriam, em rápido aconselhamento à equipe ao fim da aula, considera os tópicos pertinentes, e recomenda como bibliografia adicional o livro "Metodologia de Pesquisa para Ciência da Computação" de Wazlavick.

04/09 - Vitor envia ao prof. Nestor um email buscando esclarecer alguns tópicos em relação ao projeto, como a bibliografia recomendada, se os itens escolhidos para a qualificação são satisfatórios e questões relacionadas aos procedimentos práticos do experimento.

09/09 - O prof. Nestor, mesmo tendo recentemente chego de viagem, prontamente responde aos questionamentos enviados por email. Mesmo assim, Pedro vai ao departamento de Física na manhã deste dia, e obtém mais esclarecimentos quanto ao experimento. O prof. nos repassa mais artigos, agora relacionados ao ensino de Física, e nos recomenda dois outros livros relacionados ao projeto: Optics, de Hecht e "The essence of Optoelectronics" (K. BOOTH & S. HILL), além das referências sobre o Arduino, para instrumentação. Vitor então empresta o livro Optics, não encontrando o segundo livro. Deste modo, teríamos referências e esclarecimentos suficientes para inciar a redação da Qualificação. Vitor também busca livro de Wazlawick, recomendado pela prof. Myriam, mas não o encontra na biblioteca. Procurando na Internet, vê que está disponível para compra, o que é inviável no momento. Há a necessidade, portanto, de encontrar esta referência com alguém que já possua o livro.

10/09 - Ao anoitecer, Vitor envia a esquematização de tarefas para a produção da Qualificação. Kaya escreveria a parte introdutória e histórica, Hadryel escreveria a parte didática e educacional quanto à Física, Vitor escreveria sobre a teoria do Efeito Faraday, as questões práticas da montagem do experimento e programaria o cronograma, e Pedro organizaria, revisaria, arrumaria e formataria o documento final.

11/09 a 12/09 - Hadryel, Kaya e Vitor dedicam estes dias a redigir seus tópicos, para que sejam tratados em tempo por Pedro. Enviam suas partes para Pedro, entre as 14h e 16h do dia 12, que inicia sua parte nas tarefas. Na madrugada do dia 13, envia uma prévia do documento para que a equipe faça alguma revisão ou verificação necessária.

13/09 - Na manhã deste dia, Pedro envia a prévia do documento de Qualificação para o prof. Nestor, para que este possa verificar o trabalho e apontar possíveis erros ou assuntos a serem modificadas. Espera-se que o prof. responda até o próximo dia, quando as alterações necessárias possam ser feitas e o trabalho, fechado. Algumas alterações no decorrer do dia foram realizadas pela equipe com o fim de tornar o documento adequado com a exigência da presente disciplina.

14/09 - Recebemos as modificações propostas pelo prof. Nestor; realizamos as sugestões propostas e Kaya imprimiu o documento final de Qualificação. Às 15:30, levamos o trabalho para que o professor o assinasse, e aproveitamos para sanar algumas dúvidas remanescentes, além de obtermos conselhos quanto a continuação do desenvolvimento do trabalho, relacionado principalmente com a parte prática. O prof. nos aconselhou quanto a um possível local em que poderemos obter vidro flint para a execução do projeto.

15/09 - Entrega da pré-monografia (qualificação) para a disciplina. A equipe pesquisa sobre a aquisição do material necessário para concretizar o aparato.

16/09 - Pedro realiza modificações na monografia para arrumar erros, incluir bibliografia faltante e, principalmente, adequar o layout às normas de trabalhos acadêmicos da UTFPR.

21/09 - A equipe discute a possibilidade de adquirir o material necessário para a realização do experimento de Faraday: o vidro Flint. Os membros discutem quais integrantes serão responsáveis por irem ao local de venda deste vidro. A apresentação da qualificação é discutida.

22/09 - A equipe recebeu um e-mail da professora Myriam, informando que o professor Arandi solicitou para que todos os grupos enviem suas versões da qualificação em PDF para seu e-mail. Pedro então, envia tal arquivo em nome do grupo.

24/09 - Pedro e Vitor vão em busca do vidro flint, entretanto, não obtêm sucesso; a procura ocorreu na Ótica Diorama, em uma vidraçaria próxima, na loja da distribuidora de produtos químicos Cloroquímica e nos departamentos de Física e Química da UFPR, sendo que Pedro ficou responsável de retornar lá no dia 27 para obter informações com o vidreiro do departamento de Química daquela universidade. Procuram então, possíveis lugares para aquisição do material e Kaya ficou responsável por entrar em contato com os respectivos locais no decorrer da semana.

25/09 - Vitor encontra uma possível solução para o problema de aquisição do vidro flint: a viabilidade de o material ser substituído por um cristal de cloreto de sódio (NaCl) e comunica os demais membros da equipe.

27/09 - Pedro vai a UFPR Jardim das Américas conversar com o hialotécnico, responsável pela confecção de vidros. Chega às 10:30 e fica até 12:30. O hialotécnico não compareceu neste período, mas deveria ter comparecido.

29/09 - Pedro vai novamente à UFPR Jardim das Américas para falar com o hialotécnico. Chega às 8:30 e espera até 11:30. O hialotécnico novamente não compareceu.

07/10 - A equipe se junta para começar a montagem do equipamento. A primeira etapa consistia em seguir as instruções da monografia sobre o Sensor Óptico Baseado em Arduíno [MENEGUELE, FERREIRA, LIE.], configurá-lo e adaptá-lo para utilização em um visor LCD. Porém, as informações obtidas não foram suficientes para esta etapa ser concluída com sucesso, assim, será feita uma revisão do procedimento.

13/10 - A equipe pesquisa sobre outros materiais viáveis para o experimento em que o resultado seja significativo. É descoberto o possível uso da substância dissulfeto de carbono (CS2). A equipe verifica se a substância é possível de ser adquirida, já que a aquisição do vidro não foi possível.

21/10 - São feitos os primeiros testes com o equipamento (sensor óptico + arduíno) já configurado eletronicamente. Foi utilizado um laser do Departamento de Física, polaróides e um luxímetro para o auxílio da calibragem do equipamento. Os primeiros testes não foram bem-sucedidos, porém, após inúmeros testes, manutenção do equipamento e controle de luz ambiente, a equipe conseguiu chegar próximo à uma configuração adequada para a utilização do sensor óptico.

26/10 - Pedro adapta o equipamento já configurado, que antes estava instalado num protoboard, adequadamente para o funcionamento em uma caixa de plástico, a fim de tornar o equipamento viável de ser transportado sem danificá-lo.

27/10 - A equipe utiliza o tempo das aulas da presente disciplina para os primeiros testes práticos do experimento com equipamentos emprestados do DAFIS, pois ainda não havia as ferramentas e equipamentos necessários para a montagem do experimento final, ou, pelo menos, parte dele. A aquisição da substância para o experimento (CS2) está confirmada, graças ao professor Arandi, grande colaborador externo com o projeto. Porém, os primeiros testes foram feitos com NaCl aquoso (sal de cozinha), que também gera resultados (mas não tão significativo quanto o CS2), pois a quantidade de dissulfeto de carbono adquirido é pequena e a equipe prefere poupá-lo para a versão final do experimento. Os resultados obtidos com a solução de NaCl foram animadores, embora o experimento parcial tenha sido feito na base de um certo improviso. A equipe conseguiu a rotação de 2 graus do plano de polarização do laser.

28/10 - A equipe novamente se reúne para o desenvolvimento do experimento, desta vez após o horário de aula. Os resultados qualitativos parecem ser mais animadores do que no dia anterior, pois havia sido descoberto que as contas anteriores estavam erradas, e a rotação que foi obtida foi menor do que 2 graus. O material pedido para o departamento de física não havia chegado às nossas mãos, de modo que continuamos no improviso dos materiais do almoxarifado do DAFIS. Foi descoberto que o LDR estava com uma certa disparidade no funcionamento, então a equipe resolveu trocar esta parte do equipamento eletrônico.

29/10 - O LDR e o arduíno são calibrados de acordo com o novo LDR. Este mostra mais estabilidade nos valores obtidos. A equipe ainda não obtém o material encomendado, pois não havia quem fosse buscar da universidade (já que foi comprado com o apoio financeiro do DAFIS), então as análises continuaram como no dia anterior. Desta vez, tentamos utilizar uma luz branca, entretanto ela não estava colimada (com os raios direcionados como o laser utilizado anteriormente), e a utilização desta foi descartada. A novidade seria o possível uso da substância CS2, entregue neste dia para a equipe. Entretanto, devido ao material improvisado pela equipe para armazenar a substância, não foi possível manejar a mesma, pois a equipe estava utilizando uma pipeta cortada com as extremidades fechadas por uma pequena lâmina de vidro fixada por massa epóxi, e o composto endurece a massa com o mínimo contato, assim, não sendo possível a fixação da segunda extremidade da pipeta sem que entrasse algum vestígio incômodo de ar. Outro fator de a equipe ter deixado de manejar o composto temporariamente foi o fato de um integrante ter tido uma reação momentânea no manuseio da substância, mesmo sendo feito o processo dentro de uma capela emprestada do laboratório de Química e do uso de luvas e seringa para auxílio. Assim, devido ao pouco tempo para a entrega da monografia e ao fato de a equipe não ter o material para o experimento final, os registros da monografia estarão com os testes parciais, e não com a montagem final do experimento e, devido a este pouco tempo, a equipe decidiu que a análise do efeito Faraday será apenas qualitativa ao invés de quantitativa.

Documentos

• Proposta
• Qualificação
• Monografia

Referências

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• MENEGUELE, Bruno E. de O.; FERREIRA, Fernando P.; LIE, Maiko M. I. Sensor óptico baseado em Arduíno, adaptado para múltiplos experimentos. 2010. 32 f. Monografia (Disciplina de Oficina de Integração 1) – Departamento Acadêmico de Informática, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2010.
• ARDUINO. Disponível em: <http://www.arduino.cc>. Acesso em: 12 set. 2010.
• SERIAL LCD TUTORIAL. Disponível em <http://www.arduino.cc/playground/Learning/SerialLCD>. Acesso em: 12 set. 2010.
• Didáctica da física: perspectivas centradas na natureza da evolução conceitual. António Alberto Silva. Colecção horizontes da didáctica. Edições Asa 1999. 1ª Edição novembro 1999. Porto.
• Projects and investigations: the practice of physics. Robert E. Vermillion. Macmillan Publishing Company. 1991.
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• GAMOW, George; "The great physicists from Galileo to Einstein", Dover Publications, New York (1961).
• MARTINEZ, A.S. and MAYNARD, R.; "Faraday Effect and Multiple Scattering Of Light", França, 1993.
• CROPPER, William H.; "Great Physicists: The Life And Times Of Leading Physicists From Galileo to Hawking", Oxford University Press Inc., 2001.
• BALDINATO, José Otavio; "A Química Segundo Michael Faraday: Um Caso de Divulgação Científica no Século XIX", São Paulo, 2009.