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4 projetos educacionais (ART059)

Usina de Força – Sensor de Umidade – Relé Experimental – Teste de Isolamento    

Existem muitas montagens eletrônicas simples que, tanto podem ser usadas em trabalhos científicos, como em apresentações em feiras de ciências ou eventos culturais. Alguns projetos também são interessantes para ajudar em experiências científicas ou temas transversais de cursos de física ou química do nível médio e fundamental. Podemos citar como exemplos fontes de alimentação, geradores de campos elétricos e magnéticos e muitos outros. A seguir, damos uma seleção de projetos simples que podem ser usados por estudantes e professores com as mais diversas finalidades.

 

 

O uso de recursos tecnológicos no ensino médio e fundamental tem sido estimulado pelas autoridades do setor de educação. De fato, existem muitos recursos de tecnologia eletrônica acessíveis aos professores, simples e seguros que podem ajudar muito como temas transversais do ensino regular de ciências como a física, química ou mesmo ciências humanas. Estimular o professor a realizar esse tipo de montagem e com isso adquirir conhecimentos básicos de tecnologia eletrônica não é difícil como poderemos perceber pelos projetos simples que passamos a descrever.


USINA DE FORÇA
Este projeto serve para mostrar como funcionam as usinas de energia elétrica, convertendo energia mecânica em energia elétrica. O leitor pode usá-lo para demonstrações em feiras de ciências, em trabalhos escolares sobre o assunto ou com outras finalidades. Para o projeto o único material mais caro é o dínamo de bicicleta, mas se alguém dispuser de um pode "emprestá-lo" somente para fazer a experiência, já que ele será simplesmente fixado através de parafusos, sem sofrer qualquer modificação que impeça que ele seja usado em sua função original.

A idéia básica é fazer girar o dínamo com uma roda de madeira forrada com uma tira de borracha na sua borda e fixada numa base conforme mostrado nos desenhos, mas o leitor pode imaginar qualquer outro meio de girar o dínamo como, por exemplo:

A partir de uma queda de água
A partir do vento com uma hélice
A partir de um motorzinho a vapor
  
Na figura 1 temos o circuito que serve para alimentar três LEDs que acenderão com a energia produzida, e eventualmente um pequeno motor.



Figura 1 – Diagrama do experimento para acionamento de 3 LEDs e um motor (M1)


Evidentemente, o dínamo precisará ser girado no sentido certo para que os LEDs acendam pois eles são componentes polarizados. Na figura 2 temos a disposição dos LEDs numa pequena ponte de terminais. O mesmo circuito pode ser montado com base em outras técnicas como, por exemplo, numa matriz de contactos.



Figura 2 – Montagem do experimento com base numa pequena ponte de terminais isolados.


Qualquer LED pode ser usado mas tenha cuidado com sua posição pois se forem invertidos eles não acendem. Não recomendamos o uso de lâmpadas pequenas, pois como a tensão dessas lâmpadas é fixa e o dínamo gera uma tensão que depende de sua velocidade, um descontrole da rotação, o que facilmente pode ocorrer, vai queimá-las.

Se os LEDs acenderem com muito brilho, o que pode significar uma sobrecarga aumente os resistores para 1,5 k ohms ou mesmo 2,2 k ohms. Para uma montagem mais bonita, use LEDs de cores diferentes, inclusive LEDs brancos que já estão disponíveis no mercado com certa facilidade. Uma sugestão é montar uma maquete de uma pequena cidade e colocar os LEDs no alto de pequenos postes simulando o sistema de iluminação pública, e alguns deles em casinhas. O dínamo pode alimentar facilmente mais de 20 LEDs o que daria um bom efeito para um trabalho de maquete.

Obs: em lugar do dínamo pode ser usado um pequeno motor de corrente contínua do tipo de usa imã permanente. Outros motores não funcionarão, pois não possuem os imãs internos para gerar os campos. Os pequenos motores, entretanto, não têm tanta potência como os dínamos o que significa que a quantidade de LEDs que pode ser alimentada é menor.



O QUE EXPLICAR
Este trabalho está diretamente relacionado com a conversão de energia (física) e distribuição de energia elétrica nas cidades (uso da energia). Como tema transversal para ciências e física o projeto admite diversas abordagens como:

   * Procure nos livros de física o princípio de funcionamento dos dínamos e prepare um cartaz explicando.
   * Mostre que a quantidade de energia gerada depende da força mecânica, portanto não se cria energia, mas apenas se faz sua transformação (princípio da conservação da energia)
   * Explique as diferenças entre corrente contínua e corrente alternada.


LISTA DE MATERIAL
LED1, LED2, LED3 - LEDs comuns de qualquer cor
R1, R2, R3 - 1 k ohms - resistores de 1/4 W - marrom, preto, vermelho
M1 - Motor de 6 V (de algum brinquedo elétrico)
X1 - Dínamo de bicicleta
Diversos:
Ponte de terminais, base de madeira, fios, solda, etc.

 



SENSOR DE UMIDADE
Este sensor de umidade pode ser usado em experiências em que se pretenda detectar a presença de umidade ou mesmo de água. Outra aplicação interessante é na verificação do estado de tecidos ou papéis, se estão perfeitamente secos. O circuito é extremamente sensível fazendo com que o LED acenda com resistências de muitos megohms o que significa um grau de umidade muito baixo nos objetos testados, mas existente. O consumo de energia na condição de espera (LED apagado) é tão baixo que omitimos o interruptor geral, pois não há necessidade de desligar a fonte de alimentação nestas condições.
Na figura 3 temos o diagrama completo do sensor.



Figura 3 – Diagrama do sensor de umidade.


Os dois transistores ligados em acoplamento Darlington garantem uma excelente sensibilidade. Podemos usar qualquer transistor NPN de uso geral, mas devemos ter o cuidado para que nem um dos dois transistores apresente fugas, pois isso faria com que o LED ficasse permanentemente aceso mesmo sem umidade presente nos sensores.
Com o aparelho ligado e sem nada tocando nos sensores o LED deve ficar apagado completamente, o que é um sinal de que tudo está bem com os transistores e o restante do circuito.

Na figura 4 temos a disposição dos componentes numa ponte de terminais que poder  ser facilmente instalada no interior de uma caixa plástica.



Figura 4 – Montagem do aparelho numa pequena ponte de terminais isolados.


O LED é vermelho comum e fica no painel da caixa podendo ser usado para sua fixação um suporte. Os resistores são de 1/8 W ou maiores e os sensores podem ser duas plaquinhas de metal colocadas no fundo da caixa, conforme mostra a figura 5.



Figura 5 – O sensor pode ser instalado numa pequena caixa de plástico ou madeira.


Essas plaquinhas devem entrar em contacto com o objeto do qual se deseja testar a umidade. Para usar o aparelho para detectar o nível de água de um reservatório ou ainda um vazamento podemos usar sensores como mostrado na figura 6.



Figura 6 – Usando como sensor de nível e sensor de vazamento.


A fonte de alimentação para o aparelho consiste em 4 pilhas pequenas comuns, instaladas num suporte apropriado. Para usar o aparelho basta encostá-lo no objeto do qual se deseja verificar a umidade. O objeto não deve ser condutor. Se o LED acender o objeto está úmido e tanto maior a umidade maior ser  o brilho do LED. Se encostarmos os sensores numa parede, por exemplo, podemos ter a indicação de que a umidade detectada é causada por algum vazamento de uma canalização de água ou esgoto. Quando não usado por longos intervalos, é conveniente tirar as pilhas do suporte.

 

O QUE EXPLICAR
Água contendo sais minerais ou impurezas dissolvidas é condutora de eletricidade. Assim, a umidade presente em certos objetos os torna condutores. Essa condutividade é detectada pelo aparelho que descrevemos. Professores e estudantes podem ser basear neste fato para explicar o princípio de funcionamento do aparelho e além disso:

   * Mostre quimicamente porque a umidade dos objetos somado à presença de impurezas (sujeira) faz com que a água seja condutora e que o aparelho detecta justamente esta condutividade.
   * Mostre que colocando os dedos no sensor o LED acende, indicando que a umidade da pele mais a presença de substâncias condutoras no nosso corpo fazem que a corrente seja conduzida.
   * Explique que a corrente no sensor é extremamente baixa e por isso não existe perigo algum de choque.

Obs: substituindo os sensores por duas pontas de prova teremos um excelente provador de continuidade que serve para inúmeras experiências de física.


LISTA DE MATERIAL
Q1, Q2 - BC548 ou equivalente - transistores NPN de uso geral
LED - LED vermelho ou de qualquer cor comum
X1, X2 - sensores - ver texto
R1 - 100 k ohms x 1/4 W - resistor - marrom, preto, amarelo
R2 - 100 ohms x 1/4 W - resistor - marrom, preto, marrom
R3 - 330 ohms x 1/4 W - resistor - laranja, laranja, marrom
B1 - 6 V - 4 pilhas pequenas comuns
Diversos:
Suporte de pilhas, ponte de terminais, suporte para o LED (opcional), caixa para montagem, fios, solda, etc.



RELÉ EXPERIMENTAL
Eis um projeto interessante pra feiras de ciências ou mesmo demonstrações que envolvem eletrônica mas que não usam componentes. Sim, isso mesmo, todas as partes deste projeto podem ser obtidas a partir de material de sucata. Nem todos os leitores têm acesso fácil a uma loja de componentes eletrônico e, além disso, existem aqueles que gostariam de montar algum tipo de componente experimental para aprender seu princípio de funcionamento como também demonstrá-lo em uma feira. O que descrevemos é a montagem de um simples relé que pode ser usado para controlar alguns circuitos sem muito compromisso. Com ele o leitor mostra que a energia fornecida por uma simples pilha é suficiente para controlar um circuito de alta potência ligado à rede de energia. Esse circuito de demonstração pode ser uma lâmpada ou um ventilador, por exemplo. Na figura 7 temos o circuito em que ele é utilizado.



Figura 7 – Circuito do relé experimental.


Os pormenores da montagem do relé experimental são mostrados na figura 8.



Figura 8 – Montagem do relé experimental utilizando material de sucata.


As peças de metal são obtidas recortando-se com muito cuidado uma lata de óleo comestível. Nos contatos de contactos elétricos a tinta que recobre a lata deve ser bem raspada, pois ela é isolante. O eletroímã, feito num parafuso, é enrolado com fio esmaltado fino (32 ou próximo disso) obtido de algum transformador ou outro componente fora de uso. Enrolamos de 300 a 1 000 voltas de fio para obter uma boa sensibilidade. Todo o conjunto deve ser montado numa base de madeira como mostrado na própria figura.  Para provar e usar o circuito partimos do circuito da figura 7. A lâmpada é ligada entre os terminais A e B que funcionam como um interruptor. O leitor entretanto deve tomar o máximo cuidado com as ligações, que devem ser bem isoladas, pois o circuito controlado está conectado à rede de energia e por isso existe o perigo de choques. Para acionar o circuito podemos usar uma ou duas pilhas pequenas, médias ou grandes. Use o relé em curtos intervalos de tempo, pois com a pilha ligada o eletroímã aquece e a própria pilha esgota-se rapidamente. Ajuste a distância das lâminas em aproximadamente 1mm de modo a obter a maior sensibilidade. Se houver tendência dos contactos “grudarem” afaste-os um pouco.


O QUE EXPLICAR
Os relés são usados numa infinidade de aplicações eletrônicas como chaves eletromecânicas. Os relés podem ser encaixados no currículo do ensino de física como tema transversal do eletromagnetismo. Os relés podem ser encontrados em diversos aparelhos de uso doméstico e industrial e até mesmo no carro. Você pode pesquisar e explicar os seguintes temas relacionados com os relés

   * Explique o princípio de funcionamento dos relés.
   * Veja como funcionam os eletroímãs.
   * Dê exemplos de aparelhos eletrônicos e eletrodomésticos comuns que usam relés.
   * Arranje um relé comum e analise-o, desmontando-o se necessário.
  
LISTA DE MATERIAL

B1 - 1,5 Volt - 1 pilha - ver texto
S1 - Interruptor simples
K1 - Relé experimental - ver texto
X1 - Lâmpada de 5 a 40 watts para a rede de energia
Diversos:
Cabo de força, fios esmaltados, suporte de pilhas, lata e material para o relé, solda, etc.



TESTE DE ISOLAMENTO
Com este aparelho é possível verificar o estado de capacitores de alta tensão como os de poliéster e cerâmicos, e outros com tensão de trabalho de pelo menos 200 V se a rede for de 110 V, e 400 V se a rede for de 220 V. O teste permite ainda detectar falhas de isolamentos em cabos, conectores, etc. quando então uma lâmpada neon acende. Mesmo uma resistência de dezenas de megohms é suficiente para fazer com que a lâmpada acenda, indicando a anormalidade do componente. O circuito opera com uma corrente extremamente baixa, e como está ligado diretamente à rede de energia deve merecer atenção do montador, no sentido de se isolar bem todas as suas partes. A montagem numa caixa fechada é recomendada e sua ligação deve ser sempre feita ao componente em teste com o plugue fora da tomada.
Na figura 9 temos o diagrama completo deste provador de isolamento.

Figura 9 – Diagrama do teste de isolamento.


Na figura 10 temos a disposição dos componentes numa ponte de terminais que serve de chassi.



Figura 10 – Montagem do teste de isolamento numa ponte de terminais.

A lâmpada neon pode ser de qualquer tipo e os resistores são de 1/8 W ou maiores. O diodo usado é o 1N4007 para as duas redes de energia (110 V ou 220 V). Para a rede de 110 V pode ser usado também o 1N4004. O capacitor C1 é de poliéster metalizado com uma tensão de trabalho de pelo menos 200 V se a rede for de 110 V, e pelo menos 400 V se a rede for de 220 V. Para usar o aparelho basta encostar as pontas de prova nos terminais do capacitor ou componente em teste. Só podem ser provados componentes que suportem uma tensão de pelo menos 200 V se a rede for de 110 V e o dobro se a rede for de 220 V. Se a lâmpada acender na prova e assim permanecer, é sinal de que existe fuga no capacitor em teste ou problemas de isolamento se o componente provado for um cabo ou conector.

O acendimento momentâneo (no momento em que o aparelho é ligado) é normal quando capacitores de mais de 10 nF são testados. Será interessante dispor de alguns capacitores comuns para a demonstração. Esses capacitores podem ser conseguidos facilmente em equipamentos eletrônicos fora de uso. O interessante é que o próprio aparelho vai servir para indicar se eles estão ou não em bom estado.



O QUE EXPLICAR
Os capacitores são estudados no curso médio em física. Uma demonstração prática de seu funcionamento é muito interessante e isso pode ser feito com o teste que descrevemos. Uma possibilidade interessante para os professores é montar um capacitor usando folhas de alumínio ou ainda uma garrafa de Leyden. Nas explicações deve-se levar em conta que:

   * Os capacitores devem isolar a corrente e por isso não deve acender a lâmpada neon. Explique como funcionam os capacitores e como funcionam os isoladores dos fios.
   * Explique como funciona a lâmpada neon. Este tema é interessante se associado à ionização, assunto estudado em química e física no ensino médio.
   * Coloque as pontas de prova em contacto com a água de um copo. A lâmpada deve acender indicando que ela é condutora de eletricidade. Faça experiências com diversos materiais para detectar quais são os bons condutores, maus condutores e os bons isolantes.

Obs: a água comum é condutora devido a presença de sais minerais e impurezas. A água pura é um bom isolante.


LISTA DE MATERIAL
D1 - 1N4007 - diodo de silício
F1 - Fusível de 500 mA
S1 - Interruptor simples
C1 - 1 uF/200 V - capacitor de poliéster - ver texto
R1 - 470 k ohms - resistor - amarelo, violeta, amarelo
R2 - 220 k ohms - resistor - vermelho, vermelho, amarelo
R3 - 100 k ohms - resistor - marrom, preto, amarelo
NE-1 – lâmpada neon comum
PP1, PP2 - Pontas de prova
Cx - capacitor ou componente em teste

Diversos:
Ponte de terminais, suporte para o fusível, cabo de alimentação, caixa para montagem, garras jacaré ou pontas de prova, fios, solda, etc.

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