Conversão de energia com LEGO (MEC076)

As possibilidades de se usar o LEGO DACTA em experimentos relacionados com o ensino de ciências nas escolas de ensino fundamental (e mesmo médio) são ilimitadas e não se restringem aos componentes encontrados no conjunto básico. Com componentes comuns, que podem ser adquiridos em casas de materiais eletrônicos podemos ampliar os recursos do LEGO DACTA criando experimentos muito interessantes como os que descrevemos neste artigo. Mostramos como é possível fazer transformações de energia, gerar energia com o motor do LEGO DACTA funcionando como dínamo e mais que isso, armazenar esta energia num capacitor.

Energia não pode ser criada e nem destruída. O princípio da conservação da energia, que é ensinado a partir das primeiras séries do ensino fundamental pode fuicar muito melhor gravado na mente dos estudantes se for acompanhado de experimentos interessantes.

A possibilidade de se usar o LEGO DACTA, unindo assim a tecnologia de um kit avançado com experiências tradicionais encaixa-se bem nos PCNs dos cursos de ciências do ensino fundamental.

 

O experimento que descrevemos é bastante simples, mas pode ensinar muito e, mais que isso, pode ser ampliado de modo a ser usado no ensino de outros princípios físicos relacionados com a geração e armazenamento de energia estudados no ensino médio também como:

* Como funciona um dínamo - indução eletromagnética

* Como funciona um capacitor

* Curva de descarga de um capacitor

* Cálculo da energia armazenada num capacitor

* Transformações de energia

* Princípio de funcionamento do diodo semicondutor

Analisemos nosso experimento.

 

A Montagem

O que vamos fazer é montar o motor que acompanha o LEGO DACTA como um dinamo que será acionado por um conjunto de engrenagens e transmissão via correia.

O movimento da manivela fará com que o eixo do motor gire, ocorrendo então a conversão da energia mecânica (que aciona a manivela) em energia elétrica (que aparece nos terminais do motor). A figura 1 mostra como a montagem do sistema no LEGO DACTA é feita.

 

Montagem do projeto.
Montagem do projeto.

 

A polaridade da tensão que aparece nos terminais do motor depende do sentido de rotação da manivela e isso é importante na determinação do modo de ligação dos componentes seguintes do projeto.

 

O Motor como dínamo

Todos os motores elétricos, que são dispositivos que convertem energia elétrica em energia mecânica (força e movimento) também funcionam como geradores, ou seja, dispositivos que convertem energia mecânica em elétrica.

Isso ocorre quando, ao forçarmos o eixo do motor a girar, o conjunto de bobinas de seu interior corta as linhas de força dos pequenos imãs que existem em seu interior, conforme mostra a figura 2.

 

Funcionamento de um motor CC.
Funcionamento de um motor CC.

 

Os pequenos motores encontrados em brinquedos podem gerar uma boa quantidade de energia elétrica quando forçados a girar e isso acontece também com o motor usado no LEGO-DACTA.

A saída do motor é ligada a um diodo semicondutor e um capacitor, conforme mostra a figura 3.

 

Ligação de saída de um motor.
Ligação de saída de um motor.

 

O diodo é necessário para funcionar como uma válvula de retenção. Quando giramos a manivela, a tensão gerada faz com que circule uma corrente do motor (funcionando como dínamo) para o capacitor. Esta corrente polariza o diodo no sentido direto e pode portanto passar sem dificuldades.

No entanto, ao parar de girar a manivela, sem o diodo, a corrente que carregou o capacitor voltaria e imediatamente haveria a descarga deste componente através do motor. Para evitar a descarga, o diodo impede o retorno da corrente, e com isso o motor se mantém carregado, conforme mostra a figura 4.

 

O diodo impede o retorno da corrente
O diodo impede o retorno da corrente

 

Isso significa que, para carregar o capacitor basta girar a manivela até que isso ocorra. Quando paramos de girá-la, se nada houver ligado ao capacitor ele se mantém carregado.

No nosso projeto usamos um capacitor eletrolítico de filtro de 22 000 µF ou 0,022 Farads, que é uma capacidade enorme que até há pouco tempo era difícil de ser obtida. Hoje, capacitores com este valor e até mesmo maiores podem ser obtidos em muitas lojas de componentes de eletrônica a preços relativamente baixos. Na Rua Santa Ifigênia (São Paulo) e travessas, vimos diversos desses capacitores sendo vendidos até como sucata.

Com uma tensão de 6 V, um capacitor deste tamanho pode armazenar uma energia equivalente a:

 

Ec = 1/2 x C x V2

 

Onde: Ec é a energia armazenada em joules (J)

C é a capacitância em farads (F)

V é a tensão em volts (V)

 

Ec = 1/2 x 0,022 x 36

Ec = 0,396 Joules

 

Se ligarmos a este capacitor um LED que precise de uma corrente de 10 mA (0,01 A) ele será alimentado pelo capacitor durante quase 40 segundos. Na verdade, ele apagará antes, pois à medida que o capacitor se descarrega sua tensão cai, até o momento em que o LED não mais conduz.

Estudar a queda de tensão do capacitor, conforme mostra a figura 5 é justamente uma das experiências que podemos fazer.

 

Curva de descarga de um capacitor
Curva de descarga de um capacitor

 

Na prática podemos então ligar ao capacitor diversos dispositivos fazendo as seguintes experiências:

 

a) Lâmpada de 6 V

Ligando ao circuito uma pequena lâmpada de 6V x 50 mA, conforme mostra a figura 6, o capacitor atua como um reservatório de energia suavizando a tensão que a alimentação de modo a não haver variação brusca do brilho com a mudança da velocidade do dínamo ou mesmo quando paramos por um instante.

 

Alimentando uma pequena lâmpada incandescente.
Alimentando uma pequena lâmpada incandescente.

 

b) LED

Um LED vermelho comum pode ser ligado ao circuito, conforme mostra a figura 7.

 

Alimentando um LED vermelho.
Alimentando um LED vermelho.

 

Neste caso, bastará dar algumas voltas na manivela para carregar o capacitor. O LED ficará aceso por um bom tempo depois que pararrmos.

 

c) Curva de Descarga do Capacitor

Para esta finalidade, usamos um multímetro comum ligado na saída do capacitor, conforme mostra a figura 8.

 

Estudando a carga e descarga de um capacitor.
Estudando a carga e descarga de um capacitor.

 

Gira-se a manivela e depois, anota-se de 10 em 10 segundos a tensão no capacitor, obtendo-se com isso a curva de descarga do capacitor. Com o multímetro ligado diretamente ao capacitor a resistência de descarga será a resistência equivalente ao multímetro na escala escolhida. Por exemplo, um multímetro analógico comum com 1 k ? / volt, na escala de 0-10 V se comporta como um resistor de 10 k ?.

Podemos aumentar a velocidade de descarga do capacitor, ligando em paralelo resistores de valores entre 1 k ? e 5 k ?.

 

d) Alimentando um Rádio

Na figura 9 damos um circuito de rádio experimental que pode ser alimentado pelo capacitor carregado por muito tempo, pois seu consumo é muito baixo. Umas maniveladas a cada 5 a 10 minutos serão necessárias para manter este rádio em operação.

 

Rádio experimental alimentado pelo gerador.
Rádio experimental alimentado pelo gerador.

 

Trata-se de uma montagem bastante interessante para uma feira de ciências ou demonstração.

O rádio tem volume para excitar apenas um fone de ouvido, e exige uma antena externa. Ele não funcionará em locais que tenham elevado nível de interferência como por exemplo em locais com muitas lâmpadas fluorescentes acesas ou ainda dentro de um prédio com uma estrutura de metal muito grande. O ideal é que seja usado em locais abertos, onde a antena (um fio comum de 5 a 20 metros) possa ser esticada.

Na figura 10 mostramos como este rádio pode ser implementado numa pequena placa de circuito impresso.

 

Placa de circuito impresso para o rádio.
Placa de circuito impresso para o rádio.

 

A bobina é formada por 80 a 100 voltas de fio esmaltado 28 AWG num bastão de ferrite de 1 cm de diâmetro e comprimento de 12 a 20 cm. A tomada é feita na vigésima espira a partir do lado da ligação à terra. Para ligar a bobina, raspe as pontas do fio esmaltado antes de soldar.

O fone de ouvido é um pequeno alto-falante de 2,5 a 5 cm colocado numa caixinha ou mesmo um fon e comum.

A ligação a terra pode ser feita segurando-se a ponta do fio ou mesmo ligando-o a qualquer objeto metálico de porte.

O capacitor de sintonia pode ser aproveitado de qualquer rádio de ondas médias fora de uso.

Dê algumas maniveladas no gerador para carregar o capacitor e depois procure sintonizar alguma estação local, mexendo no capacitor variável.

 

Lista de Material

Rádio:

Q1 - BC548 ou equivalente - transistor NPN de uso geral

Q2 - BC558 ou equivalente - transistor PNP de uso geral

D1 - 1N34 ou 1N60 - qualquer diodo de germâno

L1 - Bobina - ver texto

CV - capacitor variável

FTE ou Fone - Fone de baixa ipedância ou pequeno alto-falante

C1 - 100 nF - capacitor de poliester

R1 - 470 k ? x 1/8 W - resistor - amarelo, violeta, amarelo

Diversos: placa de circuito impresso, antena, terra, fios, solda, etc.

 

Gerador LEGO DACTA:

D1 - 1N4002 ou 1N4004 - diodo de silício

C1 - 22 000 µF ou maior x 9 a 50 V - capacitor eletrolítico

Diversos: fios, solda, etc.


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N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

Opinião

Entrando em dezembro (OP207)

Estamos nos aproximando do último mês desse ano de pandemia (2020), com esperanças para que a vacina chegue logo e possamos voltar à normalidade. Há muito a ser feito a partir de agora e, como temos informados aqueles que nos seguem, nunca paramos. De fato, nosso trabalho tem sido contínuo, com a produção constante de material para o nosso site, lives, livros, vídeos, podcasts e muito mais. Na verdade, a única mudança que tivemos em nossas atividades foi a suspensão dos eventos presenciais. Esperamos que no próximo ano eles voltem, talvez com algumas modificações, mas que possamos estar juntos daqueles que nos acompanham.

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