Physics_and_Chemistry (Português) by manuelbarros

Faculdade de Ciências da Universidade do Porto

Mestrado em Ensino da Física e da Química no 3º Ciclo do Ensino Básico e Secundário

RELATÓRIO DE ESTÁGIO 2013/2014 MANUEL JOAQUIM COELHO BARROS JULHO 2014

Comunicação de Informação a Longas Distâncias Utilizando Microondas

Sob orientação científica: !

Abílio de Jesus Monteiro Almeida !

! ! ! ! ! !

Índice 1. Introdução ................................................................................................................. 5 2. Movimento ondulatório ............................................................................................ 6 2.1. Considerações históricas ....................................................................................... 6 2.2. Considerações teóricas e aplicações...................................................................... 8 2.2.1. Principio da sobreposição e interferência de ondas: ondas eletromagnéticas .................................................................................................................. 8 2.2.2. Reflexão e refração!........................................................................................................!8! 2.2.3. Difração!.............................................................................................................................!9! 2.2.4. Interferência!..................................................................................................................!10! ! 2.2.5. Tipos de ondas eletromagnéticas!............................................................................!11! 2.2.6. Inovação tecnológica – o futuro!.............................................................................!13! 3. Trabalho laboratorial - Introdução....................................................................... 14 3.1. Equipamento microondas .................................................................................... 15 3.1.1. Transmissor!...................................................................................................................!15! !!!!!!!!!!!!!!!!!3.1.2. Receptor!..........................................................................................................................!15! !!!!!!!!!!!!!!!!!3.1.3. Acessórios!......................................................................................................................!16! !!!!!!!!!!!!!!!!!3.1.4. Montagem experimental!...........................................................................................!17! 3.2. Trabalhos realizados ........................................................................................... 18 3.2.1. Estudo das caraterísticas do equipamento ................................................ 18 3.2.2. Estudo do fenómeno óptico da reflexão!...............................................................!22! 3.2.3. Estudo da refração num prisma de cera .................................................... 24 3.2.4. Estudo da polarização da radiação ............................................................ 25! 3.2.5. Estudo da difração!.......................................................................................................!28! 4. Aplicação do material de microondas em ambiente de aula ............................... 29 4.1. Objetivos a atingir com a implementação das atividades ................................. 29 4.2. Plano de aula ...................................................................................................... 30 4.2.1. Estudo das propriedades do sistema de microondas!........................................!32! 4.2.2. Estudo do fenómeno óptico da reflexão!...............................................................!33! 4.2.3. Estudo do fenómeno óptico da refração num prisma de cera!!......................!33! 4.3. Avaliação crítica da aula .................................................................................... 35 5. Conclusões ............................................................................................................... 37 ! Anexos Bibliografia Índice de figuras Índice de tabelas Índice de gráficos

1. Introdução A comunicação desenvolveu-se vertiginosamente, as pessoas comunicam por meio de correio eletrónico e enviam mensagens por telemóvel. Apesar desta revolução, há quem afirme que ainda nos encontramos na infância das telecomunicações. Este trabalho tem como tema principal o estudo das comunicações. Além de se descrever como as comunicações se desenvolveram ao longo da História da Humanidade e de se analisar como se realiza a transmissão de informações nas suas diversas formas, refere-se o processo de produção das ondas rádio nas comunicações. Destaca-se a contribuição de Maxwell, a experiência de Hertz e os trabalhos de Marconi, relacionando –se os trabalhos destes três homens com os meios de comunicação atuais. Uma das componentes importantes deste trabalho é o estudo experimental das propriedades da radiação electromagnética na frequência das microondas. O trabalho experimental foi realizado utilizando um equipamento constituído por um gerador de microondas com o comprimento de onda de aproximadamente 2,8 cm, um detetor e diversas componentes. Este equipamento tem a vantagem em relação a outros equipamentos de permitir o estudo de fenómenos ondulatórios à escala centimétrica. Além disso o equipamento é robusto, de fácil transporte e montagem, sendo por isso adequado para a realização de experiências na sala de aula. Considerando que a comunicação é um dos aspectos marcantes dos conteúdos programáticos do Programa de Física e Química A, Componente de Física do 11º ano, subtema “Comunicação de informação a longas distâncias”, neste trabalho é evidenciada a importância que a radiação eletromagnética tem no dia a dia e como tem contribuído decisivamente para a alteração dos hábitos da sociedade. Também se mostra que dependendo da frequência das radiações utilizadas é possível transmitir informação de vários tipos, utilizando diferentes equipamentos. Uma vez que este trabalho se enquadra no programa de Física do 11º ano, foi escolhido um conjunto de seis trabalhos experimentais realizados e três atividades para serem apresentadas e realizadas em sala de aula. Este relatório está dividido em cinco capítulos. No capítulo um faz-se uma pequena introdução, onde se aborda o objetivo do trabalho realçando como o uso das microondas, contribuiu para o avanço tecnológico na Humanidade. Neste trabalho em particular destaca-se como o estudo das microondas pode contribuir para o desenvolvimento do conhecimento dos estudantes do ensino secundário, na área da Física. No capítulo dois, ponto um, através de considerações históricas faz-se a abordagem das comunicação e da sua evolução desde o início dos tempos até aos nossos dias. No ponto dois, são abordadas !

as considerações teóricas e aplicações das microondas, como por exemplo, o principio da sobreposição de ondas eletromagnéticas, a 1ª e 2ª leis da reflexão e a refração. Aborda-se ainda a difração, a interferência e os diferentes tipos de ondas eletromagnéticas. A seguir mostra-se como a inovação tecnológica pode contribuir para o avanço da tecnologia no futuro, e apresenta-se a investigação que tem sido feita até à implementação no mercado do transístor de papel. No capítulo três descreve-se o trabalho experimental realizado com a radiação de microondas, desde o equipamento utilizado até às experiências realizadas. No capítulo quatro aborda-se a utilização do material de microondas em contexto de sala de aula. O plano de aula inclui para além de um breve introdução aos aspectos teóricos da comunicação, uma proposta para a realização de algumas atividades experimentais. Depois de se verificarem quais as características principais do equipamento de microondas, serão estudados em sala de aula os fenómenos ondulatórios da reflexão e da refração. Neste relatório será apresentada uma avaliação crítica da aula. As conclusões serão apresentadas no capítulo cinco. 2. Movimento ondulatório 2.1. Considerações históricas A palavra comunicação, deriva da palavra latina communicare, que significa “tornar comum”, “partilhar” http://en.wikipedia.org/wiki/Communication. No Império Romano foi concebido uma espécie de sistema postal, com o intuito de centralizar o controle do Império. Comunicação é “compartilhar elementos de comportamento ou modos de vida, pela existência de um conjunto de regras” (Cloutier, 1975). Desde o início dos tempos, que o homem tenta comunicar com os seus semelhantes, o Homo Erectus comunicava através de palavras simples (uma espécie de grunhidos) e assim dialogava, com os seus pares. Acredita-se que a linguagem humana, surgiu na época do Neandertal (100000 A.C. – 30000 A.C.). Com o aparecimento do Homo Sapiens, mais desenvolvido fisicamente, surgiu um maior desenvolvimento da linguagem e da fala. O homem primitivo, não comunicava apenas através da fala, mas também através da pintura. Pintava nas paredes das cavernas onde vivia com a finalidade de comunicar com os da sua espécie, ou com as gerações futuras, qual era a sua maneira de viver e quais os seus hábitos. As pinturas rupestres, constituem para o homem atual uma prova da sua passagem pela Terra. Um dos maiores avanços da civilização foi a invenção da escrita. Encontraramse os primeiros indícios dessa invenção, nas antigas civilizações da Suméria e da Mesopotâmia (3000 A.C.) e sabe-se que utilizaram a pedra, a cerâmica e o papiro como suporte para escrever. !

Os Gregos (800 A.C.) obtiveram um avanço considerável na escrita pois foram eles que conseguiram separar as consoantes das vogais. No ano 105 D.C. inventou-se o papel na China, um novo suporte físico que permitiu anos mais tarde (Séc. XV), o aparecimento dos livros. Em 1438 Gutenberg desenvolveu a prensa de Gutenberg que revolucionou toda a impressão escrita, pois permitiu a impressão em série. Foi Gutenberg que imprimiu a Bíblia, o livro mais vendido de sempre. Com a Revolução Industrial dá-se o aparecimento do telégrafo, que recorria a um código inventado por Morse - código de Morse – constituído por traços e pontos. O telégrafo funcionava com a transmissão de sinais elétricos com duração diferenciada. Morse descobriu que após 32 km o sinal perdia inteligibilidade, pelo que inventou um repetidor que repetia o sinal de 32 em 32 km A uma velocidade incrível, entre 1864 a 1870 Portugal ficou dotado de uma rede telegráfica em todo o seu território, (Vegar, 2013). Em 1876, Alexander Bell, registou a patente de uma invenção que designou de telefone. Este aparelho é um dispositivo de telecomunicações, arquitetado para transmitir sons por meio de sinais elétricos. Em Portugal no ano de 1877, o Rei D. Luís assistiu a uma ligação telefónica e foi o primeiro monarca europeu a estar ligado a uma rede pública. Mais tarde dá-se o aparecimento da rádio, para o qual contribuíram vários cientistas: http://en.wikipedia.org/wiki/Microwave -

James Maxwell contribui com a teoria das ondas eletromagnéticas.

Rudolf Hertz foi o primeiro a gerar essas ondas eletricamente.

Guglielmo Marconi transmitiu os primeiros sinais a uma distância de 1,6 km. A rádio prescindia de cabos, uma vez que a mensagem era transmitida por ondas

magnéticas. Tornou-se numa invenção extremamente importante para a marinha e outras unidades militares, uma vez que a forma de comunicar passou a ser mais simples e cómoda . As comunicações rádio e telefónicas só foram superadas pelo satélite, anos mais tarde, este dispositivo originou uma autêntica revolução das comunicações. Os satélites, são aparelhos geoestacionários colocados no espaço que permitem a recepção de dados e imagem. A sua utilização foi generalizada devido à rapidez e eficácia como recebem e enviam mensagens de e para qualquer ponto do mundo. Esta utilização, da transmissão via satélite é resultante do tratamento digital do sinal. Os sistemas digitais permitiram uma grande evolução da televisão que a tornou nos dias de hoje, o meio por excelência de difusão de imagens e mensagens para todo o mundo. http://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_communications A partir da década de 80, o satélite e a transmissão por cabo aumentaram as capacidades de transmissão em tempo real de qualquer parte do mundo. !

Nos anos 80 deu-se o inicio da era digital devido à evolução da microelectrónica, o que permitiu o fabrico de computadores. Abriu-se uma nova janela de oportunidades, a partir do momento em que essas máquinas, se tornaram capazes de processar grandes quantidades de informação. Este avanço tecnológico permitiu fazer três revoluções fundamentais. 1- Introdução da fibra óptica nos cabos telefónicos, o que aumentou a capacidade de transmissão. 2- Digitalização das redes (RDIS - rede digital de serviços integrados) que permitiu ligar um maior número de telefones. 3- Aplicação da tecnologia celular aos telemóveis. No início do aparecimento dos telemóveis o seu alcance era limitado, mas hoje em dia já se envia voz, dados e imagem para praticamente todo o mundo. 2.2 Considerações teóricas e aplicações 2.2.1 – Princípio da sobreposição e interferência de ondas: Ondas eletromagnéticas O princpio da sobreposição de ondas eletromagnéticas afirma: quando duas ou mais ondas incidem no mesmo ponto, a onda resultante é a soma algébrica dos deslocamento das ondas individuais. 2.2.2. – Reflexão e refração As leis da reflexão, http://www.explicatorium.com/CFQ8/Luz_Leis_da_reflexao.php interpretam o que acontece quando uma radiação incide numa superfície polida. Neste caso a onda apenas se propaga num meio físico. A onda ao incidir na superfície refletora, inverte o sentido de propagação.

Fig.1. Reflexão da radiação numa superfície polida. Fonte: http://www.explicatorium.com/CFQ8/Luz_Leis_da_reflexao.php

1ª lei – o raio incidente, o raio refletido e a normal ao espelho no ponto de incidência estão no mesmo plano. !

2ª lei – O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. As leis de refracção permitem interpretar o que acontece à direção de propagação de uma onda, quando passa de um meio de propagação para outro diferente.

Fig.2. A refração ocorre quando a luz passa de um meio (ar ) para outro meio (vidro). Fonte: http://osfundamentosdafisica.blogspot.pt/2010_10_01_archive.html

Quando um raio incidente passa de um meio opticamente menos denso (ar) para um meio mais denso (vidro), a radiação muda de direção. Nesta situação o raio refrato aproxima-se da normal e obedece à lei da refração da luz ou lei de Snell-Descartes que afirma o seguinte: n1.sen (θ1) = n2.sen (θ2) e θ1 é o ângulo que a onda incidente faz com a fronteira entre os dois meios e θ2 é o ângulo da onda refratada. O índice de refração n é caraterístico do meio e indica a taxa entre a velocidade da onda eletromagnética no vazio e a velocidade de propagação da onda no meio. !=

! !

c – velocidade de propagação da onda eletromagnética no vazio v - velocidade de propagação da onda eletromagnética no meio 2.2.3. – Difração A difração (Alonso & Finn, 2001), é um fenómeno do movimento ondulatório que consiste num desvio da propagação da onda quando encontra um obstáculo. O fenómeno pode ser descrito como uma flexão aparente das ondas em torno de pequenos obstáculos e também como o espalhamento, das ondas após passarem por pequenas aberturas ou fendas. No dia à dia consegue-se visualizar este fenómeno a ocorrer para as ondas à superfície da água, que consiste no espalhamento das ondas à volta de obstáculos que se interpõem no seu caminho.

Fig.3. Padrão de difração de um feixe de raios laser depois de passar através de um orifício e ser projetado num alvo. Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction

2.2.4. – Interferência A interferência foi descrita por Thomas Young como um fenómeno que ocorre quando duas ou mais ondas coincidem no tempo e no espaço. A interferência (Tipler & Mosca, 2008), pode ser construtiva ou destrutiva, se as ondas se encontrarem na mesma fase ou em fases diferentes. A interferência entre ondas obedece ao principio da sobreposição. Onda resultante Onda 1 Onda 2 Fig.4. Interferência construtiva.

Fig.5 Interferência destrutiva.

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Interferência Fig.4. – Quando duas ondas harmónicas têm a mesma frequência e estão em fase, a amplitude da onda resultante é soma das amplitudes das ondas individuais. Fig.5. – Quando duas ondas harmónicas têm a mesma frequência mas as fases, diferem de 180º a amplitude da onda resultante é a diferença das amplitudes das ondas individuais. Se as ondas originais têm amplitudes iguais elas cancelam-se completamente.

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2.2.5. Tipos de ondas electromagnéticas Segundo (Alonso & Finn, 2001), as ondas eletromagnéticas situam-se num intervalo de frequências, ou de comprimentos de onda e são classificadas de acordo com a sua fonte e com o seu efeito ao interagirem com a matéria. Não é possível definir limites para a classificação, pois fontes diferentes podem produzir ondas cujo intervalos de frequência se sobrepõem. (i) Ondas de rádio - frequência: - comprimento de onda desde alguns km a 0,3 m. - frequência de alguns ( poucos ) Hz a 109 Hz. São utilizadas nos sistemas de rádio e televisão, e são geradas por dispositivos electrónicos. Também são utilizadas em imagiologia, através da

ressonância

eletromagnética nuclear (NMRI, Nuclear Magnetic Resonance Imaging). (ii) Microondas. - comprimento de onda de 0.3 m a 10-3 m. - frequência de 109 Hz a 3 x 109 Hz. São utilizadas em sistemas de radar, telemóveis e outros sistemas de comunicações. Como as ondas rádio também são geradas através de dispositivos electrónicos. Também se designa a região dos microondas por UHF (Ultra High Frequency, frequência ultra elevada em relação à rádio – frequência). (iii) Espectro infravermelho. - comprimento de onda de 10-3 m a 7,8 x 10-7 m (780 nm). - frequência de 3 x 1011 Hz a 4 x 1014 Hz. Estas ondas são provenientes de corpos aquecidos, cujos átomos são excitados termicamente. Têm aplicação na astronomia, medicina e indústria. (iv) Luz visível. - comprimento de onda de 7,8 x 10-7 m a 3,8 x 10-7 m . - frequência de 4 x 1014 Hz a 8 x 1014 Hz. A luz é produzida por átomos ou moléculas, devido a ajustes no movimento dos seus componentes, principalmente os eletrões. (v) Raios ultravioleta. - comprimento de onda de 3,8 x 10-2 m a 6 x 10-10 m . - frequência de 8 x 1014 Hz a 3 x 1017 Hz. O Sol é uma fonte de radiação ultravioleta, que reage com os átomos presentes nas camadas mais elevadas da atmosfera e produzem iões, dando origem à ionosfera. Os raios

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ultravioletas são utilizados na medicina e em processos de esterilização, já que têm capacidade de destruição de micro organismos. (vi) Raios X. - comprimento de onda de 10-9 m a 6 x 10-17 m . - frequência de 3 x 1017 Hz a 5 x 1019 Hz. Os raios X são utilizados na medicina, para diagnóstico médico pois os ossos e os tecidos absorvem os raios X de maneira diferente, o que permite um contraste que é perfeitamente definido numa placa fotográfica (radiografia). Podem também causar danos graves em tecidos e organismos vivos. São utilizados no tratamento do cancro, pois podem ser direcionados para destruir tecidos doentes. No entanto podem ter efeitos secundários, pois os tecidos sãos, também ficam expostos e são destruídos o que pode originar outras doenças e até a morte. (vii) Raios γ - comprimento de onda de 10-10 m a 6 x 10-14 m . - frequência de 3 x 1018 Hz a 3 x 1022 Hz. São produzidas por substâncias radioativas que estão presentes nos reatores nucleares e na radiação cósmica. A tecnologia das microondas

que é utilizada nas comunicações,

permite a

transmissão das ondas eletromagnéticas através de conexões ponto a ponto, isto é a comunicação faz-se entre dois nós ou extremidades. Uma comunicação ponto a ponto é por exemplo um telefonema, que se estabelece entre dois comunicadores e o que é comunicado por um apenas pode ser ouvido pelo outro. As microondas são transmitidas por feixes mais estreitos, que as ondas rádio e o facto das suas frequências serem relativamente altas permite a realização de antenas com ganho elevado, com dimensões aceitáveis, uma vez que o tamanho das antenas é inversamente proporcional à frequência transmitida. As larguras da banda são elevadas e permitem altas taxas de transmissão de dados. As fontes geradores de microondas podem ser transístores de efeito de campo, transístores bipolares ou dispositivos a válvula como válvulas termiónicas. Algumas das aplicações das microondas nas comunicações, são as redes locais sem fios tais como bluetooth, wifi, wimax que utilizam as microondas numa faixa de 2,4 a 5,8 GHz. http://en.wikipedia.org/wiki/Microwave A televisão por cabo e a internet de banda larga por cabo coaxial, assim como algumas redes de telemóvel, também utilizam microondas mas de frequências mais baixas.

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2.2.6. Inovação tecnológica – o futuro No presente basta ter um telemóvel e tem-se acesso a vários equipamentos integrados como o relógio, a calculadora científica, câmara de filmar, máquina fotográfica e acesso à internet. Futuramente talvez seja possível ter-se tudo isto num relógio de pulso, com a capacidade de um computador convencional.

Fig.6. Modelo de i-watch em desenvolvimento pela Apple. Fonte: http://media.t3.com/img/resized/ap/xl_Apple%20iWatch.jpg

Os indivíduos estão a ser cada vez mais solicitados a utilizar meios informáticos como o computador o telemóvel e os “tablets” entre outros instrumentos eletrónicos para estudar e comunicar. O facto de se utilizar massivamente estes componentes (monitores de computadores, televisões, circuitos impressos, telemóveis, etc.), origina uma quantidade enorme de lixo eletrónico difícil de reciclar. Os circuitos eletrónicos contêm substâncias químicas como o mercúrio, chumbo, arsénio, cádmio e berílio e o plástico, altamente tóxicas para o meio ambiente e para o ser humano.

Fig.7. Aterro de lixo eletrónico. Fonte: lixoeletronico.org/tag/legislação

Anualmente são lançadas milhares de toneladas destes resíduos nos oceanos e em particular no Oceano Pacífico Norte o que irá provocar uma diminuição das espécies de !

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animais marinhos. Se não for lançado no Oceano, queima-se ou é pulverizado em partículas pequenas extremamente tóxicas que são libertadas para atmosfera. Ao optar por os colocar em aterros sanitários envenena-se os solos e os aquíferos. Como tal deve-se encontrar novas soluções entre as quais a eletrónica descartável e biodegradável. Por isso tem-se investigado a possibilidade de utilizar papel (de um jornal por exemplo) como substrato para a fabricação de monitores, memórias digitais e baterias auto recarregáveis através de energia solar (Fortunato & Martins, 2013). A impressão a jato de tinta permite “desenhar o circuito”.

Fig.8. Transístor de papel em que o papel funciona como material isolante e substrato. Fonte: http://expresso.sapo.pt/portugueses-e-brasileirosfabricam-primeiros-transistores-de- papel-do-mundo=f629278

Num futuro próximo, o telemóvel e outros dispositivos que permitem a comunicação deverão ser feitos de material cem por cento, biodegradável e ecológico. Segundo Isabel Ferreira, membro da equipa de investigadores da FCT “ O nosso objetivo final é fabricar todos os dispositivos eletrónicos em e com papel, incluindo os ecrãs iterativos. Não faz sentido ter telemóveis com baterias em papel, assim como não faz sentido ter transístores em papel alimentados por baterias clássicas”. 3. Trabalho laboratorial – Introdução O estudo de fenómenos ópticos na frequência de microondas tem uma vantagem importante, pois as propriedades físicas passam a ser observadas a uma escala visível, uma vez que a radiação utilizada tem um comprimento de onda da ordem dos centímetros. Neste trabalho laboratorial vai ser usado um sistema de microondas, capaz de gerar e detetar radiação microondas com um comprimento de onda de 2,85 cm. Este equipamento é constituído por um emissor, um receptor e um conjunto de acessórios, que podem ser utilizados para a realização de diversas experiências.

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3.1. – Equipamento microondas O equipamento é constituído por diversas partes que serão apresentadas a seguir. 3.1.1.Transmissor O transmissor é um dispositivo capaz de gerar uma emissão coerente e polarizada linearmente de ondas, com um comprimento de onda de 2,85 cm e com uma potência de 15 mW.!

Fig.9. Díodo transmissor “Gunn” Fonte: http://www.pasco.com/prodCatalog/WA/WA-9316_advanced-microwave-opticssystem/#

Esta unidade consiste num díodo “Gunn” colocado numa caixa ressonante de 10,525 GHz, um cone para direcionar o sinal de saída e um suporte de 18 cm de altura para minimizar os efeitos provocados pela mesa de trabalho. O transmissor pode ser alimentado diretamente a partir dos 230 V utilizando o transformador de corrente fornecido com o sistema. Possui um LED indicador e uma escala rotativa para medir o ângulo de polarização. (0º corresponde a polarização vertical). O díodo atua como uma resistência não linear que oscila na banda de microondas. A saída está polarizada linearmente ao longo do eixo do díodo e o cone radia um feixe

radiação

microondas

centrada

longo

seu

eixo.!

http://www.pasco.com/prodCatalog/WA/WA-9316_advanced-microwave-opticssystem/#resourcesTab

3.1.2 Receptor Um cone de microondas idêntico ao transmissor recebe o sinal gerado por este e dirigi-o para um díodo de Schottky inserido numa cavidade de ressonância de 10,525 GHz. O díodo responde apenas à componente do sinal de microondas que está polarizada ao longo do eixo principal do díodo, produzindo uma tensão de corrente contínua que varia de acordo com a amplitude do sinal. !

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O receptor tem quatro níveis de amplificação (1 a 30 x ) e um potenciómetro que permite ajustar a amplificação a cada gama de frequências. O receptor possui um terminal de saída que pode ser ligado a um osciloscópio. É alimentado por uma pilha e tem um LED que indica se o ligador está ligado ou não. Tal como o transmissor, é constituído por um suporte de 18 cm de altura que minimiza os efeitos provocados pela mesa do trabalho. Pode rodar em torno de um eixo e modificar o ângulo de polarização. Uma escala circular permite medir convenientemente o ângulo de polarização (0º corresponde a uma polarização vertical). 3.1.3 Acessórios

Fig.10. Goniómetro Fonte: http://jroma.pt/PDFS/manual_microondas_WA9314B.pdf

Fig.11. Mesa rotativa

Fig.12. Suporte de componentes

Fig.13. Suporte de componentes rotativo

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Fig.14. Refletor metálico

Fig.16. Polarizador

Fig.18. Espaçador curto

Fig.15. Refletor metálico parcial

Fig.17. Braço de extensão para fixação de acessórios

Fig.19. Espaçador longo

Fonte: http://jroma.pt/PDFS/manual_microondas_WA9314B.pdf

3.1.4. Montagem experimental Os acessórios como os refletores, os refletores parciais, os polarizadores, os espaçadores de fendas e o braço de extensão são fixos por meio de bandas magnéticas.

Fig.20. Suporte magnético para acessórios Fonte: http://jroma.pt/PDFS/manual_microondas_WA9314B.pdf

O transmissor deve ser colocado no braço fixo do goniómetro, pois deste modo mantêm-se uma relação fixa entre o feixe de microondas e os componentes colocados no braço fixo ou na placa circular graduada. O receptor move-se com mais facilidade, se for montado no braço móvel do goniómetro e permite uma melhor detecção do sinal de saída. !

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Quando se move um dos braços do goniómetro, com a outra mão deve-se manter o outro braço fixo. 3.2. – Trabalhos realizados 3.2.1. – Estudo das caraterísticas do equipamento Equipamento necessário: •

Transmissor

•

Receptor

•

Goniómetro

Objetivo Esta atividade experimental, vai permitir fazer uma introdução ao sistema de microondas, permitindo obter uma melhor compreensão das medidas efetuadas. Procedimento Fazer a montagem como indica a Fig.21. Ajustar o transmissor e o receptor para a mesma polarização. Ligar os aparelhos e ajustar o valor de R de modo que o ponteiro indique 1,0 (toda a escala). Registar para um gama suficientemente alargada de valores de R o valor (M) indicado no receptor.

Fig.21. Ajuste do transmissor e receptor para a mesma polarização. Fonte: http://jroma.pt/PDFS/manual_microondas_WA9314B.pdf

Sabe-se que o campo elétrico

de uma onda eletromagnética é inversamente !

proporcional à distância da fonte (E = !! ) e que a intensidade de uma onda !!

eletromagnética é inversamente proporcional ao quadrado da distância da fonte ( I = !! !). Utilizar os dados das tabelas para determinar a relação da leitura (M) com as grandezas referidas.

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Resultados Tab.1. Relação da leitura (M) para cada medida com a distância R (polarização vertical).

R(cm)* 49,7% 55% 58,9% 62,9% 72,1% 82,2% 92,2%

Polarização*vertical* 1/R(cm51)* 1/R2(cm52)* 0,020% 0,00040% 0,018% 0,00033% 0,017% 0,00029% 0,016% 0,00025% 0,014% 0,00019% 0,012% 0,00015% 0,011% 0,00012%

M(u.arb.)* 1% 0,86% 0,76% 0,64% 0,5% 0,31% 0,2%

Tab.2. Relação da leitura (M) para cada medida com a distância R (polarização horizontal).

R(cm)* 31,4% 40,1% 49,9% 60% 69,8% 81,4%

Polarização*horizontal* 1/R(cm51)* 1/R2(cm52)* 0,032% 0,0010% 0,025% 0,0006% 0,020% 0,0004% 0,017% 0,0003% 0,014% 0,0002% 0,012% 0,0002%

M(u.arb.)* 1% 0,72% 0,52% 0,38% 0,24% 0,17%

M"="M(1/R)"

1,2!

M"(u."arb.)"

M=M(1/R)! polarização! vertical!

0,8! 0,6!

M=M(1/R)! polarização! horizontal!

0,4! 0,2! 0! 0!

0,01!

0,02!

0,03!

0,04!

Linear!(M=M(1/ R)!polarização! vertical)!

1/R"(cm/1)"

Gráfico.1. Variação de M em função de 1/R (polarização vertical e horizontal).

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M"="M(1/R2)"

1,2!

M"(u."arb.)"

M=M^(1/R2)! polarização! vertical!

0,8! 0,6!

M=M(1/R2)! polarização! horizontal!

0,4! 0,2! 0! 0!

0,0005! 1

0,001!

0,0015!

Poly.!(M=M^(1/ R2)!polarização! vertical)!

/R2"(cm/2)"

Gráfico.2. Variação de M em função de 1/R2 (polarização vertical e horizontal).

O gráfico 1 mostra que as leituras M estão relacionadas linearmente com o inverso da distância quer para a polarização vertical quer para a polarização horizontal. Como o campo eléctrico é proporcional ao inverso da distância, podemos concluir que o receptor detecta o campo eléctrico da radiação. Pelo contrário, verifica-se no gráfico 2 que a relação de M com 1/R2 não é linear pelo que o sinal no detector não é função da intensidade da radiação. A polarização é um fator a ter em conta, já que na polarização vertical o sensor é mais sensível a variações do campo eléctrico. Fez-se variar o ângulo do receptor em relação ao emissor como está indicado na Fig.22. tendo-se registado os valores quer na polarização vertical quer na polarização horizontal.

Fig.22. Ajuste do transmissor e receptor para variar o ângulo. Fonte: http://jroma.pt/PDFS/manual_microondas_WA9314B.pdf

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Tab.3. Variação das leituras (M), R= 37,6 cm, polarização horizontal, (M1), R= 65,3 cm, polarização horizontal, (M2), R= 65,3 cm, polarização vertical com o ângulo do receptor (Θ).

Ângulo** do* receptor* (Θ)* -50% -45% -40% -35% -30% -25% -20% -15% -10% -5% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%

Leitura* no* medidor* (M)*(mA)* 0% 0% 0% 0% 0% 0,02% 0,1% 0,32% 0,64% 0,9% 1% 0,9% 0,64% 0,32% 0,1% 0,02% 0% 0% 0% 0% 0%

Gauss* 3,73E-06% 4,01E-05% 3,35E-04% 2,19E-03% 1,11E-02% 4,39E-02% 1,35E-01% 3,25E-01% 6,07E-01% 8,82E-01% 1,00E+00% 8,82E-01% 6,07E-01% 3,25E-01% 1,35E-01% 4,39E-02% 1,11E-02% 2,19E-03% 3,35E-04% 4,01E-05% 3,73E-06%

Leitura* no* Medidor* (M1)*(mA)* 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0,02% 0,2% 0,66% 0,9% 1% 0,92% 0,66% 0,2% 0,02% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

Leitura* no* Medidor* (M2)*(mA)* 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0,16% 0,38% 0,68% 0,96% 1% 0,96% 0,68% 0,38% 0,16% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

M=M(Θ)"

1,2!

Leitura"(M)"

!(M)!Pol.!Horizontal!R!=!37,6! cm!

0,8!

Gauss!

0,6! 0,4!

!(M1)!Pol.!Horizontal!R!=!65,3! cm!

0,2!

!(M2)!Pol.!Vertical!R!=!65,3!cm!

0! G0,2! G60!G50!G40!G30!G20!G10! 0! 10! 20! 30! 40! 50! 60! o

Expon.!(!(M)!Pol.!Horizontal!R! =!37,6!cm)!

Θ""( )"

Gráfico.3. M=M (Θ) para leituras (M), R= 37,6 cm, polarização horizontal, (M1), R= 65,3 cm, polarização vertical, (M2), R= 65,3 cm, polarização horizontal.

Concluiu-se que para uma distância de 37.6 cm o receptor com a polarização horizontal capta o sinal até ∓ 25º. Aumentou-se a distância com a polarização horizontal e o valor !

21!

do ângulo de captação diminuiu de ∓ 5o , o que permite constatar que o sinal sofre uma atenuação já que a banda tem um maior espalhamento. Com a polarização vertical o espalhamento não é tão grande já que a intensidade do sinal na chegada ao receptor é superior ao polarizado horizontalmente. Aproximaram-se os valores a uma curva de Gauss e constata-se que seguem os valores teóricos da relação M= M cos (!). 3.2.2. – Estudo da reflexão Procedimento 1. Montar o equipamento, como mostra a fig. 23.

Fig.23. Montagem do equipamento para o estudo da reflexão.

2. Certificar-se que o transmissor e o receptor têm a mesma polaridade. 3. Ligar o transmissor e colocar a intensidade no receptor na posição 30x. 4. Colocar o reflector de modo a que o ângulo de incidência seja 45º. 5. Registar os valores no receptor numa gama em que se espera encontrar o feixe refletido. Neste caso, entre 240 º e 290º.

22!

Resultados Tab.4. Medição de valores de intensidade para um ângulo de reflexão de 45º

Ângulo%de%reflexão% (θ)% 2900%% 2850%%%% 2800%% 2750%% 2740%% 2710%% 2700%% 2690%% 2680%% 2670%% 2660%% 2650%% 2600%% 2590%% 2570%% 2550%% 2500%% 2450%%

Leitura%no% medidor% (mA)% 0,11% 0,48% 0,92% 1,24% 1,33% 1,48% 1,52% 1,62% 1,69% 1,62% 1,52% 1,48% 1,33% 1,15% 0,78% 0,54% 0,16% 0,03%

Gauss% 0,0376% 0,1726% 0,5357% 1,1252% 1,2455% 1,5380% 1,5992% 1,6372% 1,6500% 1,6372% 1,5992% 1,5380% 1,0008% 0,8763% 0,6411% 0,4406% 0,1313% 0,0265%

Re<lexão"

Leitura"no"Medidor"(M)"

1,80! 1,60! 1,40! 1,20! 1,00! 0,80!

ReQlexão!

0,60!

Gauss!

0,40! 0,20! 0,00! 240!

250!

260!

270!

280!

290!

300!

Ângulo""(o)" Gráfico.4. Leitura do medidor na gama de registo de sinal.

Tendo em conta que a posição da normal ao refletor na geometria utilizada corresponde a um ângulo de 315º e ainda os dados do gráfico 4, o ângulo de reflexão medido experimentalmente é de aproximadamente 47º. O erro em relação ao valor esperado, 45º, é de 5%. !

23!

3.2.3. – Estudo da refração num prisma de cera Procedimento 1. Fazer a montagem conforme a Fig.24. 2. Rodar o braço móvel do goniómetro e localizar o ângulo θ, para o qual o sinal refratado é máximo. 3. Calcular o índice de refração do material.

Fig.24. Montagem do equipamento para determinar o índice de refração.

Resultados Tab.5. Cálculo do índice de refração. Ângulo*(θ )* Ângulo*(θ 1)* Ângulo*(θ 2)* 13%

45%

58%

n1* 1,2%

Localizou-se o ângulo θ pelo qual o sinal refratado é máximo. Tendo em conta o diagrama abaixo.

Fig.25. Diagrama que permite calcular o ângulo refratado pela lei de Snell Descartes.

Calculou-se o ângulo refratado pela lei de Snell Descartes, n1.sen (θ1) = n2.sen (θ2) , com n2 = 1 (índice de refração do ar). O índice de refração obtido foi de 1,2.

24!

3.2.4. – Estudo da polarização da radiação Procedimento 1. Fazer a montagem conforme a Fig. 26

Fig.26. Montagem do equipamento para estudo da polarização, através da variação do ângulo do polarizador.

2. Registar os valores lidos no medidor com o emissor e o receptor com polarização vertical com as grelhas do polarizador na posição horizontal para os seguintes ângulos, de -90º, -67,5º, -45º, -22,5º, 0º, 22,5º, 45º, 67,5º, 90º. 3. Registar os valores medidos para as seguintes situações: 3.1

Ângulo de 0º entre o emissor e o receptor com polarização vertical, o receptor com polarização horizontal e a grade de polarização na horizontal.

3.2 Ângulo de 90 º entre o emissor e o receptor com polarização vertical, o receptor com polarização horizontal e a grade de polarização na horizontal. 3.3 Ângulo de 45º entre o emissor e o receptor com polarização vertical, o receptor com polarização horizontal e a grade de polarização na horizontal. 3.4 Ângulo de 22,5º entre o emissor e o receptor com polarização vertical, o receptor com polarização horizontal e a grade de polarização na horizontal. 3.5 Registar ainda os valores para ângulos de - 90º, -67,5º, -45º e -22,5º. Tab.6. Registo da intensidade com o emissor e receptor em polarização vertical.

Ângulo*de*polarização* -90% -67,5% -45% -22,5% 0% 22,5% 45% 67,5% 90% !

Leitura*do*medidor* (mA)* 0% 0,1% 0,43% 0,78% 1% 0,78% 0,43% 0,1% 0%

Lei*de*Malus* 3,75247E-33% 0,146% 0,5% 0,854% 1% 0,854% 0,5% 0,146% 3,75247E-33% 25!

Étienne Louis Malus foi oficial do exército, físico e matemático francês. É conhecido pela lei de Malus que diz o seguinte: A intensidade de uma onda eletromagnética polarizada linearmente transmitida através de um polarizador é diretamente proporcional ao quadrado do cosseno do ângulo θ dado entre a direção de polarização do feixe de microondas e do eixo de transmissão do polarizador isto é: I(θ)= I0 cos2(θ) em que: I(θ) é a intensidade medida depois da polarização I0 – intensidade máxima quando θ = 0º http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Malus Polarização" Leitura"Medidor(M)"

1,2! 1! 0,8! 0,6!

Leitura!do!medidor!

0,4!

Linha!malus!

0,2! 0!

G100!

G50!

50!

100!

Ângulo"de"polarização" Gráfico.5. Leitura da intensidade do Medidor em função do ângulo. Emissor vertical, receptor vertical.

Concluiu-se, como se pode observar do gráfico 5, que estando o emissor e o receptor com polarização vertical o máximo de intensidade de energia recebida no receptor dá-se para um ângulo de 0º e vai diminuindo conforme se varia o ângulo de polarização de uma forma crescente. O polarizador transmite apenas a componente da onda paralela do polarizador que é uma fração da onda total. Tab.7. Registo da intensidade com o emissor com polarização vertical e receptor horizontal

Ângulo*de*polarização* -90% -67,5% -45% -22,5% 0% 22,5% 45% 67,5% 90%

Leitura*do*medidor* (mA)* 0% 0,4% 1% 0,4% 0% 0,4% 1% 0,4% 0%

função* 1,50099E-32% 0,5% 1% 0,5% 0% 0,5% 1% 0,5% 1,50099E-32%

26!

Polarização" Leitura"Medidor"(M)"

1,2! 1! 0,8! 0,6!

Leitura!do!Medidor!

0,4!

Função!

0,2! 0!

G100!

G50!

50!

100!

Ângulo"de"polarização" Gráfico.6. Leitura da intensidade do Medidor em função do ângulo. Emissor vertical, receptor horizontal.

Fez-se ainda o estudo do comportamento das ondas eletromagnéticas ao passarem pela grade de polarização, com ângulos de 0º, 22,5º 45º, 67,5º e 90º entre o emissor com polarização vertical, o receptor com polarização horizontal e as grelhas do polarizador na horizontal. Concluiu-se que, como se pode observar do gráfico 6, não há recepção de energia no receptor para ângulos de polarização de 0º e 90º pois esta é totalmente absorvida pelo polarizador, uma vez que a direção principal que permite a passagem de energia no polarizador é normal às grelhas. Para os ângulos de 22,5º, 45º, 67,5º o receptor acusa a passagem de energia devido à passagem da componente horizontal da onda eletromagnética, sendo que para um ângulo de 45º se obtém um máximo de intensidade. Estes valores são ajustados a I(θ)= I0 cos2(θ)sen2(θ) que resulta da aplicação sucessiva da lei de Malus. 3.2.5. – Estudo da difração Tab.8. Variação do ângulo de difração com a intensidade

Ângulo* 32% 30% 28% 26% 24% 22% 21% 20% !

Leitura*do* Medidor* 0,14% 0,08% 0,04% 0,03% 0,06% 0,1% 0,12% 0,2% 27!

Difração"através"de"uma"fenda" Leitura"no"Medidor"(M)"

0,25! y!=!0,0037x2!G!0,1945x!+!2,6039!

0,2! 0,15!

Difração!/! Intensidade!

0,1!

Poly.!(Difração!/! Intensidade)!

0,05! 0! 20!

22!

24!

26!

28!

30!

32!

Ângulo" Gráfico.7. Medidas das intensidades obtidas pela difração das microondas para uma fenda de 7,6 cm para encontrar o primeiro mínimo.

Esta experiência tem como finalidade, encontrar o ângulo para o qual se obtêm o primeiro mínimo do padrão de difração das microondas que passam através de uma fenda. A onda eletromagnética que é difratada na parte superior da fenda interfere destrutivamente com outra no meio da fenda, quando a diferença entre os seus percursos !

é de ! . Teoricamente, o primeiro mínimo calcula-se através da expressão : d.sin (θ) = n λ http://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction sendo d – a espessura da fenda. λ - Comprimento de onda da radiação. (θ) – ângulo para o qual se espera que ocorra um mínimo. n = 1,2,3... Para n= 1 e para uma espessura de fenda (d = 7 cm) o ângulo teórico para encontrar o primeiro mínimo é de: 24º Analisando o gráfico 7, podemos determinar a partir do polinómio de 2º grau o valor mínimo, obtendo 26,2º. Este valor tem um erro de 8% em relação ao valor teórico indicado acima.

28!

4. Aplicação do material de microondas em ambiente de aula - Introdução Atualmente as comunicações desempenham um papel fundamental no dia à dia das pessoas e no desenvolvimento económico e social de qualquer nação. A evolução cultural e social das sociedades modernas depende das telecomunicações. Foi através da Física que se promoveu o avanço tecnológico, na área das comunicações. A radiação eletromagnética é a principal responsável pelo sucesso da forma de comunicar atual devido ao seu alcance, à sua velocidade de propagação e à possibilidade que tem de ser modulada por sinais. A atividade laboratorial irá ser orientada para a seguinte questão - problema: Nas comunicações por telemóvel e via satélite são utilizadas microondas de determinadas gamas de frequências. Nas grandes cidades são construídas torres altas que suportam um conjunto de antenas parabólicas de modo a permitir a propagação ponto a ponto da radiação microondas acima do topo dos edifícios. Com base na realização da atividade experimental os estudantes deverão saber interpretar corretamente esta questão – problema. 4.1. - Objetivos a atingir com a implementação das atividades As atividades pratico - laboratoriais irão permitir aos estudantes compreender os princípios básicos da transmissão de informação por radiação eletromagnética, a partir de observações experimentais dos fenómenos de reflexão, absorção e difração. Devem reconhecer que parte da energia de uma onda eletromagnética incidente na superfície de separação de dois meios é refletida, parte é transmitida e parte é absorvida e que esta repartição de energia refletida, transmitida e absorvida depende de fatores como: •

A frequência da onda incidente;

•

A inclinação do feixe;

•

As propriedades dos materiais.

Explicitar quando ocorre a reflexão total exprimindo-a através do índice de refração. Os estudantes deverão constatar que estes fenómenos são comuns a qualquer tipo de ondas e como tal podem ser observados com microondas, ultra-sons ou luz visível.

29!

4.2. - Plano de aula Atividade Prática Laboratorial – Atividade baseada na APL 2.3. Comunicações por radiação eletromagnética. Pré – requisitos •

Aplicações das ondas eletromagnéticas nas telecomunicações

•

Propriedades da luz Conteúdos

•

Transmissão de informação por radiação eletromagnética

•

Reflexão, refração, reflexão total, absorção e difração

•

Bandas de frequência para diferentes tipos de transmissão

Recursos, materiais e equipamentos •

Equipamento de microondas Estratégias

Montar o equipamento de microondas de forma a realizar o estudo da: •

Dependência da intensidade da onda eletromagnética com a distância percorrida.

•

A reflexão e/ou absorção de radiação pela superfície de um material

•

As leis de reflexão e da refração

•

A lei de Snell – Descartes Sumário

(5min)

Atividade prática laboratorial – Comunicações por radiação eletromagnética. Espectro eletromagnético e comprimento de onda. Microondas. Introdução às leis da reflexão. Refração.

30!

Guião. (1ª Parte) •

(15 a 20 min)

Relembrar o que são ondas eletromagnéticas e que o conjunto de todas as ondas eletromagnéticas constitui o espectro eletromagnético.

•

Referir que as diferentes radiações eletromagnéticas diferem no comprimento de onda e na respetiva frequência.

•

Fazer notar que o espectro eletromagnético é constituído por:

1. radiações visíveis – radiações luminosas ou luz. 2. radiações invisíveis que são as ondas rádio, microondas, radiações infravermelhas, radiações ultravioletas, raios X e raios γ (gama).

Fig.27. Espectro eletromagnético Fonte: http://hertzianosfq.webnode.pt/introdução-teorica/radiações/

•

Referir que as ondas eletromagnéticas mais utilizadas nas telecomunicações para transmitir informação são as ondas rádio, as microondas e a luz.

•

Fazer notar que a radiação eletromagnética se propaga no vazio aproximadamente à velocidade de 300 000 km.s-1 e a sua velocidade decresce quando se propaga noutros materiais.

(2ª Parte) •

(60 a 65 min)

Apresentar o equipamento de microondas e informar que é constituído, por um emissor e um receptor e por outros acessórios como o goniómetro (que permite medir ângulos) um polarizador e um refletor.

31!

Fig.28. Comprimento de onda. Máximo de intensidade. Fonte: http://anasoares1.wordpress.com/2011/01/31/som-e-caracteristicas-dosom- frequencia-amplitude-e-timbre/

4.2.1. - Estudo das propriedades do sistema de microondas •

Questionar os estudantes sobre o que aconteceria, à intensidade do sinal se aumentássemos a distância entre o emissor e o receptor.

•

Montar o equipamento de microondas conforme a Fig. 29. e registar a distância para a qual o sinal é máximo.

•

Fazer variar a distância entre o emissor e o receptor e retirar conclusões sobre o que acontece à intensidade do sinal.

Fig.29. Ajuste do transmissor e receptor para estudo das propriedades do sistema de microondas. Fonte: http://jroma.pt/PDFS/manual_microondas_WA9314B.pdf

•

Os estudantes deverão chegar à conclusão que as ondas eletromagnéticas diminuem de intensidade com a distância e que esse fenómeno se designa por atenuação.

Fig.30. Atenuação da onda eletromagnética Fonte: http://www.mar.mil.br/dhn/bhmn/download/cap-34.pdf

32!

4.2.2. - Estudo do fenómeno óptico da reflexão • Fazer notar que as microondas não sofrem reflexão na atmosfera e como tal não podem ser captadas para além da linha do horizonte. • Explicar que para se fazer a transmissão de microondas a grandes distâncias é necessário construir uma rede de antenas receptoras, colocadas em locais altos ou utilizar satélites de comunicação que funcionem como antenas repetidoras, para evitar a perda de sinal devido ao fenómeno da reflexão. • Referir que a antena receptora e a emissora são semelhantes na sua construção. • Questionar os estudantes sobre qual será a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de reflexão. 1. Tendo em conta a questão colocada, com a ajuda dos estudantes, montar o equipamento como mostra a Fig. 31. e procurar a direção de máxima intensidade obtida na reflexão.

Fig.31. Montagem do equipamento para o estudo da reflexão

2. Os estudantes deverão propor e discutir com o professor um procedimento que permita concluir que o ângulo refletido deverá ter o mesmo valor do ângulo de incidência realizando pelo menos duas medições.

4.2.3. Estudo do fenómeno óptico da refração através num prisma de cera. • Fazer notar que as leis da refração, permitem interpretar o que acontece à direção de propagação de uma onda, quando passa de um meio de propagação para outro diferente. • Referir que quando uma onda eletromagnética atravessa a fronteira entre dois meios diferentes a direção de propagação da onda sofre uma alteração que se designa por refração. • Esta alteração pode ser calculada pela relação matemática designada pela lei de Snell, que afirma que: !

33!

n1.sen (θ1) = n2.sen (θ2) e θ1 é o ângulo que a onda incidente faz com a fronteira entre os dois meios e θ2 é o ângulo da onda refratada. O índice de refração n1 é caraterístico do meio (ar) e é igual a 1, n2 é o valor do índice de refração a calcular.

Fig.32. Estudo do fenómeno da refração

1. Os estudantes devem ter em conta a Fig.32., a montagem da Fig.33. e a tabela 9 e realizar um procedimento e que permita determinar o índice de refração do prisma de cera. (Devem orientar o receptor de maneira que o sinal recebido seja máximo).

Fig.33. Montagem para o estudo da refração das microondas através de um prisma de cera.

34!

Tab.9. Ângulo de incidência, ângulo de refração e índice de refração Ângulo%(θ)%

Ângulo%(θ1)%

Ângulo%θ2=θ%+θ1%

!! % !!

Retirar conclusões . 4.3. - Avaliação crítica da aula A aula foi realizada na presença de dez estudantes do 10º ano, seis estudantes responderam “Sim” e quatro “Não” à questão “Considera - se suficientemente informado sobre comunicações? ”, conforme o gráfico 8.

Gráfico.8. “Considera-se informado sobre comunicações”

Os estudantes relembraram o capítulo “ondas de luz e a sua propagação” lecionado no 8º ano e todos eles responderam afirmativamente que a tecnologia associada à comunicação por telemóveis, se faz através de microondas e dialogaram com o professor sobre os possíveis malefícios desta radiação. Colocou-se a questão “Onde se deveriam colocar as antenas de comunicações por telemóveis nas cidades? ” e conclui-se depois de relembrar os fenómenos de reflexão. absorção e difração das ondas eletromagnéticas que as antenas deveriam ser colocadas em pontos altos, livres de obstáculos para evitar estes fenómenos na comunicação ponto a ponto e evitar a perda de sinal. Montaram o equipamento conforme a fig.29 registaram a distância para a qual intensidade do sinal é máximo, afastaram o emissor do receptor e todos os estudantes presentes concluíram que as ondas eletromagnéticas diminuem de intensidade com o aumento da distância entre o emissor e o receptor. No estudo da reflexão, os estudantes foram convidados a relembrar a reflexão da luz especular e fazer a comparação com o que acontece com a reflexão das ondas !

35!

eletromagnéticas, neste caso as microondas. Concluíram que o ângulo de reflexão era igual ao ângulo de incidência. A maioria dos estudantes chegou a esta conclusão facilmente, pois registaram o ângulo de incidência e visualizaram que para igual ângulo refletido a intensidade registada no receptor era máxima. Para estudar o fenómeno da refração relembrou-se uma atividade realizada no “Dia do Patrono” que consistia em colocar uma vareta de vidro, inclinada num copo transparente meio cheio de água. A vareta de vidro parecia estar “partida” na superfície entre os dois líquidos. Tal era devido ao fenómeno de refração que a luz sofre na superfície de separação daqueles dois meios transparentes com diferentes índices de refração. Os estudantes colocaram um prisma de material polimérico entre o emissor e receptor e orientaram uma das faces do prisma de modo que o feixe incidisse normalmente a uma das faces. O receptor foi colocado de forma a obter a intensidade máxima do sinal, constaram que na realidade há um ângulo refratado por um meio diferente do ar. A aula foi realizada com uma turma do 10º ano do curso profissional de Técnicos de Análises Laboratoriais e tendo em conta que estes conteúdos, não estavam inseridos no programa seria importante realizar uma introdução teórica para relembrar conteúdos como: a radiação eletromagnética e o espectro eletromagnético, as ondas de luz e sua propagação e os fenómenos ópticos como a reflexão e a refração. Esta aula foi de carácter demonstrativo e informativo, com a intenção de informar os estudantes sobre comunicações, nomeadamente sobre comunicações móveis e através do manuseamento do equipamento de microondas, compreenderem as comunicações por telemóveis no dia à dia. Conseguiram responder a perguntas tais como: 1- O que é um emissor? 2- O que é um receptor? 3- Porque se colocam antenas de comunicações em pontos altos? 4- Como se relacionam ângulos de incidência com os refletidos? 5- O que é a refração? Pena que estes equipamentos não se encontram disponíveis em todas as escolas e como tal os estudantes, não realizem esta atividade, mesmo no 11º ano do Ensino Secundário. Todos os estudantes concluíram que as comunicações são um tema importante e que foi proveitoso realizar esta atividade.

36!

5. – Conclusões Este trabalho teve como tema central “A comunicação de informação a longas distâncias utilizando microondas” e como objetivo estudar a forma como a radiação eletromagnética, nomeadamente na frequência de microondas, tem contribuído para a alteração na forma de comunicar da humanidade desde os primórdios até à atualidade. Neste estudo de fenómenos ópticos na frequência de microondas, foi utilizado um equipamento que permite gerar e detectar radiação microondas cujo comprimento de onda é de 2,85 cm. A aprendizagem de manuseamento foi bastante gratificante o que vai permitir, quando utilizado em conjunto com os estudantes uma divulgação dos conhecimentos adquiridos. Realizaram-se experiências que permitiram aprofundar o conhecimento do equipamento e estudar os seguintes fenómenos ópticos como; a reflexão, refração num prisma de cera, polarização da radiação e difração. Para estudar as caraterísticas do equipamento, fez-se variar a distância entre o emissor e o receptor a partir da leitura do valor máximo obtido no receptor para uma polarização horizontal e para uma polarização vertical. Através da análise dos dados obtidos e da análise gráfica conclui-se que as leituras efetuadas no medidor se relacionam linearmente com o inverso da distância para ambas as polarizações e que o detetor é sensível ao campo elétrico e não é função da intensidade da radiação. A polarização é um fator importante pois na polarização vertical, o detetor é mais sensível às variações do campo elétrico. Conclui-se ainda que o sinal sofre atenuação com a distância do emissor ao receptor pois através da experiência realizada verificou-se que a uma distância de 37,6 cm o receptor captou o sinal numa largura de banda de!∓ 25º e aumentando a distância o ângulo de captação diminuiu de ∓ 5o . Constatou-se ainda que na polarização vertical o espalhamento

do sinal é inferior ao polarizado horizontalmente, pois

intensidade do sinal recebido é maior. No estudo da reflexão partiu-se do pressuposto teórico que neste fenómeno o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência e estudou-se o erro associado ao equipamento e ao seu manuseamento e concluiu-se que foi de 5%. Ao estudar o fenómeno da refração num prisma de cera chegou-se à conclusão que o índice de refração da cera obtido foi de 1,2 utilizando - se para o calcular para além dos valores obtidos na experiência a lei de Snell Descartes. Fizeram-se também experiências que permitiram estudar a polarização da radiação e chegou-se à conclusão que para uma polarização vertical (emissor e receptor) !

37!

e as grelhas do polarizador na horizontal o máximo de intensidade de energia recebida dá –se para um ângulo de 0º e o valor mínimo para ∓90º , para valores intermédios há recepção de energia decrescendo conforme se aumenta o ângulo de polarização. Com o emissor na polarização vertical, o receptor com polarização vertical e as grelhas do polarizador na horizontal, não há recepção de energia para ângulos de polarização de 0º e ∓90º e o valor máximo de intensidade obtido foi para um ângulo de 45º. Concluiu-se assim que o polarizador transmite apenas a componente da onda paralela do polarizador que é uma fração da onda total. No estudo da difração encontrou-se o primeiro mínimo do padrão de difração das microondas que passam através de uma fenda. O valor teórico calculado foi de 24º e o valor encontrado de 26,2º, portanto com um erro de 8%. A realização deste trabalho foi extremamente importante, para o professor conseguir manusear o equipamento de microondas, com relativa facilidade e ensinar aos estudantes de forma construtiva, o que acontece na “ Comunicação de informação a longas distâncias utilizando microondas”. Tal foi conseguido com a turma de 10 º ano desta escola, mas com a consciência que o será sempre que for necessário dentro do âmbito dos conteúdos programáticos do 11º ano do Ensino Secundário.

38!

Anexos Questionário – Microondas nas comunicações. Este questionário destina-se à recolha de dados sobre comunicações por radiação eletromagnética. O inquérito é confidencial. Responda de modo sincero e consciente. Coloque uma cruz na resposta escolhida. 1. Considera-se suficientemente informado sobre comunicações ? Sim___

Não___

2. Qual é o tipo de ondas que permitem comunicar por telemóvel? Ondas de rádio – frequência ____ Microondas____ Espectro infravermelho____ Luz visível ____ Raios ultravioleta____ 3. Onde é que se devem colocar antenas receptoras de comunicações por telemóveis? Pontos altos____

Nos vales das montanhas ____

4. Quando comunicaste por telemóvel, num vale montanhoso ficaste: Bastante satisfeito ____ Satisfeito____ Pouco satisfeito____

Nada

satisfeito____ Com a comunicação. 5. No fenómeno de reflexão a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de reflexão é: 5.1 O ângulo de reflexão é maior que o ângulo de incidência. ____ 5.2 O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência. ____ 5.3 O ângulo de reflexão é menor que o ângulo de incidência. ____ 6. Propagação de ondas eletromagnéticas em meios materiais: 6.1 A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no ar é maior que no vidro____ 6.2 A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no ar é igual à velocidade de propagação no vidro____ !

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6.3 A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no ar é menor que no vidro____ 7. O fenómeno que consiste no desvio de uma onda eletromagnética quando muda de meio óptico designa-se por: Reflexão ____ Refração___ Difração____ Absorção____ 8. Só ocorre difração das ondas eletromagnéticas (microondas) através de uma fenda se a fenda for: maior ____ menor____ igual ____ ao comprimento de onda. Questões pré – laboratoriais 1. Quais são as propriedades comuns das ondas longitudinais e das ondas transversais? 2. Enuncie as leis da reflexão? 3. Assinale a afirmação verdadeira: 3.1. Uma onda ao propagar-se de um meio com um índice de refração superior para um meio com um índice de refração inferior é refratada segundo um ângulo superior ao ângulo de incidência. 3.2. Uma onda ao propagar-se de um meio com um índice de refração superior para um meio com um índice de refração inferior é refratada segundo um ângulo inferior ao ângulo de incidência. 3.3. Uma onda ao propagar-se de um meio com um índice de refração superior para um meio com um índice de refração inferior é refratada segundo um ângulo igual ao ângulo de incidência. 4. Quando é que ocorre reflexão total da luz? 5. Qual a razão porque se utilizam ondas eletromagnéticas nas comunicações a longas distâncias? 6. Calcule a frequência da radiação microondas, para um comprimento de onda emitido de 2,8 cm.

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Questões pós – laboratoriais 1. O que acontece à potência da radiação à medida que se afasta o emissor? 2. Qual a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de reflexão? 3. Enuncie a lei de Snell. Respostas às questões pré – laboratoriais. 1- Reflexão, refração, absorção e transmissão. 2- 1ª lei – o raio incidente, o raio refletido e a normal ao espelho no ponto de incidência estão no mesmo plano. 2ª lei – O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. 3- Uma onda ao propagar-se de um meio com um índice de refração superior para um meio com um índice de refração inferior é refratada segundo um ângulo superior ao de incidência. 4- Quando o valor do ângulo de incidência é superior ao valor do ângulo crítico, não ocorre o fenómeno da refração da luz. Toda a luz se reflete. Dá-se reflexão total da luz. Ângulo limite – é o ângulo de incidência ao qual corresponde um ângulo de refração de 90º, este fenómeno só se verifica quando a luz passa de um meio opticamente mais denso para um meio opticamente menos denso. 5- Utilizam-se ondas eletromagnéticas nas comunicações a longas distâncias porque a sua absorção no ar é menor do que as ondas sonoras. 6- v = λ. f

v = 3,0 x 10! ms !! - velocidade da luz

λ = 2,8 x 10!! m

!,!!!!!"!!

f = ! = !,!!!!!"!! = 1,071 x 10!" m

Respostas às questões pós – laboratoriais. 1. À medida que se afasta o emissor a potência recebida diminui pois há um decaimento da radiação incidente 2. O ângulo de incidência e o ângulo de reflexão são iguais. 3. A lei de Snell descreve a relação entre os ângulos de incidência e de refração quando a luz ou outro tipo de ondas (microondas), passam através de uma fronteira entre dois meios isotrópicos diferentes como por exemplo a àgua e o ar. sin θi .n1 = sin θr .n2 θi, θr – ângulo de incidência e ângulo de reflexão. n1, n2 – índice de reflexão dos dois meios !

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Bibliografia Alonso, M. Finn, E.J., 2001, Physics, Pearson Education, New Jersey. Communication, consultado em 25 de Outubro de 2013, disponível no site: http://en.wikipedia.org/wiki/Communication.

Communications satellite, consultado em 29 de Outubro de 2013, disponível no site: http://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_communications Cloutier, J., 1975, A era de EMEREC, consultado em 25 de Outubro de 2013, disponível no site : http://www.univ-ab.pt/~bidarra/hyperscapes/video-grafias-292.htm Fortunato, E., Martins, R., 2013, “ O futuro do papel ou o papel do futuro? Pasta e Papel , pág. 28-34. Leis da reflexão,

consultado em 13 de Novembro de 2013, disponível no site:

http://www.explicatorium.com/CFQ8/Luz_Leis_da_reflexao.php Microwave, consultado em 7 de Novembro de 2013, disponível no site: http://en.wikipedia.org/wiki/Microwave Vegar, J., Percurso das telecomunicações, consultado em 25 de Outubro de 2013, disponível no site: http://www.fpc.pt Tipler, A. P., Mosca, G., 2008, Physics for Scientists and Enginneers, New York.

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Índice de figuras Fig.1. Reflexão da radiação numa superfície polida....................................................... 8 Fig.2. A refração ocorre quando a luz passa de um meio (ar) para outro meio (vidro) ............................................................................................................................................. 9 Fig.3. Padrão de difração de um feixe de raios laser depois de passar através de um orifício e ser projetado num alvo.................................................................................... 10 Fig.4. Interferência construtiva ...................................................................................... 10 Fig.5. Interferência destrutiva ........................................................................................ 10 Fig.6. Modelo de i-watch em desenvolvimento pela Apple .......................................... 13 Fig.7. Aterro de lixo eletrónico ....................................................................................... 13 Fig.8. Transístor de papel em que o papel funciona como material isolante e substrato ........................................................................................................................... 14 Fig.9. Díodo transmissor “Gunn” .................................................................................. 15 Fig.10. Goniómetro ......................................................................................................... 16 Fig.11. Mesa rotativa ...................................................................................................... 16 Fig.12. Suporte de componentes .................................................................................... 16 Fig.13. Suporte de componentes rotativo ..................................................................... 16 Fig.14. Refletor metálico ................................................................................................ 17 Fig.15. Refletor metálico parcial ................................................................................... 17 Fig.16. Polarizador ......................................................................................................... 17 Fig.17. Braço de extensão para fixação de acessórios ................................................. 17 Fig.18. Espaçador curto ................................................................................................. 17" Fig.19. Espaçador longo ................................................................................................. 17" Fig.20. Suporte magnético para acessórios .................................................................. 17" Fig.21. Ajuste do transmissor e receptor para a mesma polarização ........................ 18 Fig.22. Ajuste do transmissor e receptor para variar o ângulo .................................. 20 Fig.23. Montagem do equipamento para o estudo da reflexão ................................... 22" Fig.24. Montagem do equipamento para determinar o índice de refração ............... 24" Fig.25. Diagrama que permite calcular o ângulo refratado pela lei de Snell Descartes ........................................................................................................................... 24" Fig.26. Montagem do equipamento para estudo da polarização através da variação do ângulo do polarizador ................................................................................................ 25" Fig.27. Espetro eletromagnético .................................................................................... 31" Fig.28. Comprimento de onda. Máximo de intensidade .............................................. 32" Fig.29. Ajuste do transmissor e receptor para estudo das propriedades do sistema de microondas ....................................................................................................................... 32" !

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Fig.30. Atenuação da onda eletromagnética ................................................................. 32" Fig.31. Montagem do equipamento para o estudo da reflexão .................................... 33" Fig.32. Estudo do fenómeno da refração ....................................................................... 34" Fig.33. Montagem par o estudo da refração das microondas através de um prisma de cera ............................................................................................................................... 34"

Índice de tabelas Tab.1. Relação da leitura (M) para cada medida com a distância R (polarização vertical) ............................................................................................................................ 19" Tab.2. Relação da leitura (M) para cada medida com a distância R (polarização horizontal) ........................................................................................................................ 19" Tab.3. Variação das leituras (M), R= 37,6 cm, polarização horizontal, (M1), R= 65,3 cm, polarização horizontal, (M2), R= 65,3 cm, polarização vertical com o ângulo do receptor (Θ). ................................................................................................... 21 Tab.4. Medição de valores de intensidade para um ângulo de reflexão de 45º .......... 23 Tab.5. Cálculo do índice de refração ............................................................................. 24" Tab.6. Registo da intensidade com o emissor e receptor em polarização vertical ..... 25" Tab.7. Registo da intensidade com o emissor em polarização vertical e receptor horizontal .......................................................................................................................... 26 Tab.8. Variação do ângulo de difração com a intensidade .......................................... 27" Tab.9. Ângulo de incidência, ângulo de refração e índice de refração ....................... 35"

Índice de gráficos Gráfico.1. Variação de M em função de 1/R (polarização vertical e horizontal). ..... 19 Gráfico.2. Variação de M em função de 1/R2 (polarização vertical e horizontal).) ... 20 Gráfico.3. M=M (Θ) para leituras (M), R= 37,6 cm, polarização horizontal, (M1), R= 65,3 cm, polarização vertical, (M2), R= 65,3 cm, polarização horizontal. .......... 21 Gráfico.4. Leitura do medidor na gama de registo do sinal ........................................ 23 Gráfico.5. Leitura da intensidade do Medidor em função do ângulo. Emissor vertical, receptor vertical. .............................................................................................. 26 Gráfico.6. Leitura da intensidade do Medidor em função do ângulo. Emissor vertical, receptor horizontal. ......................................................................................... 27 Gráfico.7. Medidas das intensidades obtidas pela difração das microondas para uma fenda de 7,6 cm para encontrar o primeiro mínimo. ................................................. 28 Gráfico.8. Considera-se informado sobre comunicações ............................................ 35

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Atmosfera Poluição Atmosférica ! ! ! ! ! ! !

Sob orientação científica: ! !

Maria Agostinha Ribeiro de Matos

Índice Índice................................................................................................................................... 3 1. Resumo ........................................................................................................................... 4 2. Preâmbulo ...................................................................................................................... 4 3. Atmosfera ....................................................................................................................... 5 3.1. A origem e evolução do Universo ................................................................................ 5 3.2. A origem do sistema solar ............................................................................................ 5 3.3. Aparecimento e evolução da atmosfera ........................................................................ 7 3.4. A atmosfera atual .......................................................................................................... 8 4. Poluição atmosférica.................................................................................................... 11 4.1. Considerações históricas............................................................................................. 11 4.2. Toxicidade na atmosfera ............................................................................................. 13 4.2.1 Poluentes primários.. ......................................................................................... 13 4.2.2 Poluentes secundários.. ...................................................................................... 14 4.3. Controle da poluição atmosférica ............................................................................... 14 5. Qualidade do ar no interior de edifícios ................................................................... 15 5.1. Poluentes e efeitos na saúde pública........................................................................... 17 5.1.1. Medidas de controle.......................................................................................... 18 5.2. O radão – poluente radioativo .................................................................................... 19 6. Avaliação da toxicidade dos poluentes....................................................................... 20 7. Chuvas ácidas .............................................................................................................. 20 7.1. A acidificação da chuva .............................................................................................. 20 7.2. Causas das chuvas ácidas ........................................................................................... 21 7.3. Efeito das chuvas ácidas ............................................................................................. 22 7.4. O controle das chuvas ácidas ...................................................................................... 23 8. Atividade laboratorial ................................................................................................... 26 Anexo................................................................................................................................. 35 Referências bibliográficas ................................................................................................. 37

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1. Resumo Neste trabalho vai-se abordar o problema da poluição atmosférica e no interior de edifícios, suas origens, implicações e metodologias comportamentais e tecnológicas para evitar e remediar essa poluição. No ponto 3 aborda-se a origem da atmosfera, começando por se abordar a origem e evolução do Universo, a origem do sistema solar e por fim o aparecimento e evolução da atmosfera até à atmosfera atual. Já no ponto 4 aborda-se a poluição atmosférica através da história, apresentam-se os principais poluentes atmosféricos enquanto que no ponto 5 o alvo são os poluentes dos ambientes interiores. No ponto 6 têm-se em linha de conta, a avaliação da toxicidade dos poluentes e no ponto 7 faz-se a abordagem do tema “as chuvas ácidas”, causas e efeitos, assim como o seu controle. Pretende-se realizar uma atividade laboratorial, cujo tema se centra em poluentes que originam as chuvas ácidas e os efeitos no pH das águas. 2. Preâmbulo Os humanos devem respirar, se não “ar puro” pelo menos ar o menos poluído

possível. Deve-se melhorar a qualidade do ar nos espaços interiores, nas habitações, escolas, creches e lares, mas também em todo o espaço exterior. Espera-se com este trabalho sensibilizar os estudantes, para o facto de ter sido o ser humano que contribuiu ao longo dos tempos, para o aumento da poluição atmosférica cujos malefícios são de diversa ordem. Assim, o excesso de dióxido de carbono e de metano é responsável pelo efeito de estufa e consequente aquecimento global do planeta e alterações climáticas, a utilização de compostos CFC em sistemas de refrigeração, climatização e de pulverização conduziu à diminuição da camada de ozono, que protege os seres vivos da radiação ultravioleta, colocando em risco a biodiversidade. Por outro lado, as poeiras e compostos voláteis em grande quantidade na atmosfera conduzem ao aumento das doenças respiratórias como asma, rinite alérgica, bronquite crónica, enfisema pulmonar, doenças do coração e cancro do pulmão entre outras. Os estudantes como agentes da sociedade onde estão inseridos, devem saber que a poluição é uma realidade do dia a dia e como encontrar soluções para a diminuir de maneira, a viver um futuro não tóxico.

3. A atmosfera 3.1 A origem e evolução do Universo O Universo terá tido início como uma singularidade no espaço e no tempo, conhecida por Big Bang, há cerca de 15 x 109 milhões de anos. No início “tudo” estaria condensado num espaço extremamente pequeno com densidades e temperaturas elevadas. Nos primeiros momentos apenas existiam os quarks, que se foram juntando para formar protões e neutrões. Estas partículas agruparam-se para constituírem os núcleos de hidrogénio, hélio e outros elementos como o lítio, boro e berílio. O Universo tem estado sujeito a uma expansão contínua. A velocidade de expansão, é determinada pela lei de Hubble, que estabelece que a velocidade de separação de quaisquer duas galáxias, v, é diretamente proporcional à sua separação, r, sendo a constante de proporcionalidade, H, ou parâmetro de Hubble, 22 km s-1 (taxa anual de expansão). (Alonso & Finn, 2001) v = Hr À medida que se dá a expansão, há uma diminuição da energia média por partícula o que vai corresponder a uma diminuição de temperatura do Universo, originando transições de fase. Estas transições originaram alterações na composição e estrutura do Universo e evoluíram até cerca de 106 anos desde o Big Bang, quando o Universo alcançou uma estrutura muito próxima da atual. 3.2 A origem do Sistema Solar No Universo existem muitas nuvens de gases (90% de hidrogénio atómico ou molecular, 9% de hélio e 1% de elementos pesados como o carbono, oxigénio, silício magnésio, ferro). Estes elementos pesados deram origem a nebulosas de poeiras, a partir das quais se formaram os sistemas do tipo solar. Nas nebulosas há forças opostas em equilíbrio, uma força de contração, a gravidade, e uma força de expansão, a pressão térmica. As nebulosas estão sujeitas a perturbações, como a aproximação de outra nuvem ou a explosão de uma supernova, estas perturbações dão origem a contrações. Para que essas contrações originem um sistema planetário é necessário uma conjugação de determinados parâmetros, como a massa, densidade elevada, a nuvem ser relativamente fria e estar animada de uma velocidade inicial de modo a acelerar a contração gravitacional, num movimento de rotação.

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Fig.1. A “maternidade de estrelas” na galáxia M16 Fonte:http://www1.ci.uc.pt/iguc/atlas/01origem.htm

O meio interestelar contém um átomo de hidrogénio por centímetro cúbico e aproximadamente cem grãos de poeira por quilómetro cúbico. Algumas nebulosas têm cerca de 50 anos-luz de extensão. A contração é acompanhada por um aumento de temperatura, mas desde que a massa da nebulosa seja suficiente, a força gravitacional responsável pela contração, é sempre maior que a tendência para a expansão térmica. Devido à contração a nebulosa tem um movimento de rotação e fragmenta-se. Estes fragmentos tornam-se visíveis, quando atingem temperaturas de 2000 a 3000 K e são designadas por proto estrelas. Uma delas, há cerca de 4650 milhões de anos, veio a dar origem ao nosso sol. À sua volta, a matéria condensada (poeira), deu origem aos planetas, meteoritos e asteroides (http://www1.ci.uc.pt/iguc/atlas/01origem.htm).

Fig.2. Formação do sistema solar Fonte:!http://blogaula12.blogspot.pt/2010/04/formacao-e-composicao-do-sistemasolar.html

3.3 Aparecimento e evolução da atmosfera O planeta Terra, formou-se há cerca de 4540 milhões de anos (incerteza de 1%) com uma atmosfera gasosa inicial à volta do núcleo terrestre, bastante denso e liquefeito, estando os constituintes mais densos na parte central e os gases na parte exterior. Os gases mais voláteis como H2 , H e He, escaparam facilmente e os menos voláteis como o CH4 , NH3, CO, N2 e O2 , permaneceram. Devido à atividade vulcânica, os gases dos vulcões, substituíram a atmosfera inicial, dando origem a uma atmosfera secundária, constituída essencialmente por H2O , N2 , H2S, H2 , CH4 NH3 e CO (Beychok, 2011). Na atmosfera secundária havia muito pouco O2 livre e como tal esta atmosfera era venenosa, para as formas de vida atuais. À medida que a Terra foi arrefecendo, o vapor de água foi condensando, precipitou e posteriormente deu origem aos oceanos. Os óxidos de carbono e de azoto foram reduzidos pelo hidrogénio a metano, CH4, e amoníaco, NH3. CO2 (g) + 4 H2 (g)

→ CH4 (g) + 2 H2O (g)

CO2 (g) + 3 H2 (g)

→ CH4 (g) + H2O (g)

N2 (g) + 3 H2 (g)

→ 2 NH3 (g)

Provavelmente foi desta mistura de substâncias que nasceram as primeiras moléculas orgânicas, que deram origem à vida nos oceanos, onde a luz U.V. não penetrava. O dióxido de carbono atmosférico foi dissolvido nos oceanos e precipitou sob a forma de carbonatos sólidos (Beychok, 2011). + CO2 (g) + 2 H2O (l)!⇄ HCO! ! (aq) + H3O (aq) + !! HCO! ! !(aq)!+ H2O (l) ⇄! CO! (aq) + H3O (aq)

Há cerca de 3500 milhões de anos emergiram dos oceanos na forma de micro organismos unicelulares (arqueia, domínio dos seres vivos relacionados com as bactérias). Há cerca de 2700 milhões de anos deu-se o aparecimento das cianobactérias, os primeiros organismos a produzir O2 livre. Levou algum tempo a transformar a atmosfera com défice de O2, (atmosfera anóxica), para uma atmosfera com O2 (o oxigénio, O2 , que atualmente faz parte da composição da atmosfera, tem origem na fotossíntese). Este período é definido como a “Grande Oxidação” e resultou na extinção em massa, de todas as formas de vida que existiram na atmosfera anóxica. A evolução da ! 7! ! !

atmosfera oxigenada (terceira atmosfera) deu origem à formação da camada de ozono, O3, que protege a vida na Terra, da agressão da radiação solar, nomeadamente a penetração dos raios U.V., pois funciona como um filtro solar. (Beychok, 2011) 3.4 Atmosfera atual A atmosfera terrestre é um invólucro de gás, em torno da Terra e estende-se desde a superfície do planeta, até cerca de 16 km de altura, apresentando com a distância temperaturas variáveis ora mais baixas ora mais elevadas, tornando-se cada vez mais rarefeita, até um ponto onde não se consegue definir um limite entre a atmosfera e os gases interplanetários. A atmosfera é constituída essencialmente por O2 ( 21% ) e N2 ( 78 % ). As moléculas destes gases são mais pesadas, que a molécula de H2O. As nuvens são compostas, por partículas de água líquida ou micro partículas de gelo (dependendo da altitude). Estas partículas de água ou de gelo, conseguem manter-se em suspensão na atmosfera, aglutinadas em torno de partículas sólidas (poeiras) mais leves que o ar, que também

encontram

suspensão

atmosfera.

http://www.ipma.pt/pt/educativa/faq/meteorologia/observacao/faq_0020.html.

Fig.3. Vários tipos de texturas de nuvens, mostrando uma vasta zona de estratocumulus sobre o Atlântico e alguns cumulus no norte da Península Ibérica e no Norte de Itália Fonte:http://www.ipma.pt/pt/educativa/observar.tempo/index.jsp?page=satelite05.xml -

Podem considerar-se várias zonas na atmosfera; troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera e exosfera, conforme a temperatura observável em cada uma.

Fig.4. A variação da temperatura com a altitude permite considerar diferentes camada da atmosfera Fonte: Manual de Física e Química A – Química 10º ano – 2011- Porto Editora

A troposfera é a camada mais baixa da atmosfera, com uma altura média de 17 km medida a partir do equador. A densidade e a temperatura do ar diminuem com a altitude. A temperatura é de 14 – 15ºC, na superfície da Terra e atinge -45ºC na altitude máxima. É na troposfera que se acumula cerca de 80% da massa da atmosfera e é aí que ocorrem os fenómenos meteorológicos e onde vivem os seres vivos. Entre 11 a 16 km de altitude, na transição para a estratosfera, encontra-se a tropopausa cuja temperatura é de -56ºC. A troposfera e a tropopausa constituem a baixa atmosfera (Beychok, 2011). A estratosfera situa-se acima da tropopausa até uma altitude de aproximadamente 50 km, onde a temperatura e a radiação solar aumentam com a altitude. É na estratosfera que se encontra a camada de ozono e o aumento da temperatura é devido à absorção pelo ozono da radiação ultravioleta emitida pelo Sol (Slanina, 2008). A reação que ocorre é a seguinte: 2 O3 (g) + UV → 3 O2 (g) + calor Na estratopausa a temperatura é de 0ºC, a pressão atmosfera é de cerca 1/1000 da pressão atmosférica ao nível da água do mar (Pidwirny, 2010)A mesosfera estende-se até uma altura de cerca de 80 km, e a temperatura diminui até atingir uma temperatura de ! 9! ! !

-90º C (Pidwirny, 2010). Esta variação deve-se à diminuição da influência do ozono. Apesar da diminuição da densidade dos gases, ainda não é o suficiente para destruir os meteoritos que nela dão entrada. Na parte superior da mesosfera encontra-se a mesopausa, com temperaturas de cerca de -120ºC (Beychok, 2011). A termosfera estende-se desde a mesopausa a cerca de 80-85 km até uma altura entre 500 a 1000 km e é denominada de alta atmosfera. A temperatura volta a aumentar com a altitude e atinge valores superiores a 1000ºC. Na termosfera encontram-se moléculas dissociadas e ionizadas. As temperaturas elevadas, são resultado do choque entre as moléculas e iões. A termosfera divide-se em subcamadas, tendo em conta as suas propriedades eletromagnéticas. A parte mais baixa da termosfera designa-se por ionosfera, onde há uma grande ionização das moléculas (Beychok, 2011). A exosfera é a camada onde se encontram os satélites em orbita á volta da Terra. Estende-se entre os 500 e 1000 km e nesta camada quase não existem moléculas gasosas, apenas iões, aqui praticamente não existem colisões entre partículas. É a zona mais externa da atmosfera, em que praticamente se deixa a atmosfera e se entra no espaço interplanetário. Composição do ar atmosférico (ar seco ao nível do mar) Gás Nome

Concentração Fórmula

volume(%)

ppm(v)*

Azoto

78,084

780,840

Oxigénio

20,947

209,470

Árgon

0,934

9,340

CO2

0,033

330

Dióxido de

carbono

Néon

0,001820

18,20

0,000520

5,2

Hélio

Metano

CH4

0,00020

2,00

Crípton

0,000110

1,10

SO2

0,000100

1,00

Hidrogénio

0,00005

0,50

Óxido Nitroso

N 20

0,00005

0,50

Xénon

0,000009

0,09

Ozono

0,000007

0,07

NO2

0,000002

0,02

Dióxido de

enxofre

azoto

Tab.1. Composição do ar seco (Milton Beychok, 2011) * partes por milhão em volume!

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Devido à ação da gravidade, a composição da atmosfera varia com a altitude. À mesma altitude, a composição da atmosfera apenas varia na percentagem de H2O de local para local. Na troposfera a percentagem de vapor de água varia entre 0,05 e 4%. 4. Poluição atmosférica 4.1. Considerações históricas O nomadismo era o estilo de vida dos primeiros homens na Terra. Uma das causas do nomadismo, tinha a ver com a necessidade de se afastarem dos maus cheiros dos resíduos animais e vegetais por eles criados. Com a invenção do fogo apareceu outra forma de poluição atmosférica, o fumo causado pela queima da madeira para aquecimento e para cozinhar os alimentos. O facto da queima ser feita a céu aberto, provocava incêndios por vezes com consequências devastadoras. No ano (61 A.C.) o filósofo Romano Séneca afirmava: “ Das chaminés de Roma saíam vapores e fumo com um cheiro pestilento, que alteravam a minha disposição”. A poluição do ar causada pela queima de lenha, no castelo de Tutbury em Nottingham, Inglaterra foi considerada inaceitável por Eleanor de Aquitânia, esposa do Rei Henrique II de Inglaterra, pois causava-lhe falta de ar, o que fez com que ela se mudasse para outro lugar, decorria o ano de 1157. Em 1306 a queima de carvão em Londres foi proibida e apenas podia ser feita em fornos com condições específicas para o efeito. As principais indústrias associadas à poluição atmosférica antes da revolução industrial eram a metalúrgica, a cerâmica e a das conservas (fumeiros), já que provocavam fumo e cinzas em abundância (Boubel et al., 1994). A revolução industrial teve início com o aparecimento da máquina a vapor. Os motores e as turbinas a vapor utilizavam caldeiras aquecidas a carvão, onde se vaporizava a água. A poluição atmosférica no séc. XIX era causada pela queima de carvão que alimentava fornos de fábricas, comboios a vapor e vasos de guerra e apresentava-se sob a forma de fumos e cinzas, o que era já considerado pelas autoridades um problema de saúde publica. No início do séc. XX a utilização do carvão impregnava a atmosfera de poluentes como os dióxidos de carbono e de enxofre. Quer o aquecimento doméstico, quer os processos fabris

tinham o carvão como a principal fonte energética. A expansão

industrial, com as fábricas de aço e produtos químicos movidas a carvão, contribuiu para ! 11! ! !

o desenvolvimento económico dos continentes europeu e americano. As cidades desenvolveram as redes de iluminação pública, sendo a eletricidade produzida em centrais térmicas alimentadas a carvão. Na segunda metade do séc. XX deu-se o impulso industrial no leste europeu, tendo a União Soviética assumido a liderança e o carvão como principal fonte energética. Nos anos 70 a poluição atingia proporções elevadas sendo a Silésia polaca a principal vítima, devido a ser atingida pelos ventos dominantes de oeste. A esperança de vida nesta região diminuiu e aumentaram as mutações genéticas e deficiências infantis. Com a queda do muro de Berlim e devido a legislações mais apertadas, este tipo de poluição passou a ser relativamente mais acentuada no sudeste asiático. A poluição devido às chuvas ácidas diminuiu na Europa a partir do final do séc. XX, já que foi implementada legislação mais severa. Nos últimos anos, a industrialização na China aumentou abruptamente e a poluição por chuvas ácidas passou a ser um motivo de tensão entre a China e o Japão, pois a China não aplica medidas de controle de poluição à sua industria e “exporta” os poluentes para os países vizinhos.! Nos anos 90 a principal fonte individual de poluição atmosférica devia-se aos automóveis. Há três grandes momentos na história do automóvel. Nos anos 20 do século XX a montagem em série fez do automóvel um consumo de massas nos Estados Unidos e era neste país que nos anos 50 havia mais de 50% da totalidade dos automóveis no mundo. Mais tarde entre os anos 50 e 80 o automóvel generalizou-se na Europa. Nos anos 60 dá-se o aparecimento massivo do automóvel no Japão e estendeu-se ao território chinês até à atualidade. No final dos anos 90 havia 777 milhões de automóveis espalhados pelo mundo. Apesar dos avanços tecnológicos e com a diminuição das emissões de monóxido de carbono e de chumbo para atmosfera, é certo que 1/5 das emissões de dióxido de carbono, enviadas para a atmosfera é devida à poluição automóvel. http://ecoline.ics.ul.pt/ecoline.asp?p02&4&173&hi

Fig.5. Cidade chinesa praticamente encerrada devido à poluição Fonte: Jornal público 21/10/2013

12!

4.2. Toxicidade na atmosfera A presença de constituintes nocivos na atmosfera pode ter origem em diversas fontes relacionadas com a atividade humana, como fábricas, centrais termoelétricas e automóveis ou resultar de fenómenos naturais como erupções vulcânicas, incêndios florestais ou tempestades que trazem poeiras do deserto. Os poluentes são de dois tipos, primários e secundários. Os primários são os poluentes que são emitidos diretamente das fontes, como os emitidos pelas fábricas e os secundários são os produtos da reação dos poluentes primários na atmosfera. 4.2.1. Poluentes primários Os vulcões, os processos industriais e o tráfego de veículos motorizados emitem poluentes atmosféricos ricos em óxidos de enxofre e em particular o dióxido de enxofre (SO2). Na atmosfera o (SO2) dissolve-se na água da chuva, dando origem a um ácido forte, o ácido sulfúrico, (Poluição atmosférica, 2013) que reage com outros gases e partículas e produz outros poluentes secundários. SO2 (g) + H2O (l) → H2SO4 (aq) A atmosfera possui um carácter levemente ácido, devido à presença do ácido carbónico, um ácido fraco que resulta da dissolução de dióxido de carbono, CO2 (g) em água segundo as seguintes reações : http://pt.wikipedia.org/wiki/Poluição_atmosférica CO2 (g) + H2O (l) → CO2 (aq) CO2 (aq) + H2O (l) → H2CO3 (aq) O HNO3 e o H2SO4 estão relacionados com as chuvas ácidas provenientes da oxidação de NOx e SO2. O tráfego rodoviário e as reações de combustão a temperaturas elevadas, são os principais responsáveis pela emissão de poluentes ricos em óxidos de azoto (NOx) e em especial o dióxido de azoto (NO2).! http://pt.wikipedia.org/wiki/Poluição_atmosférica

monóxido de azoto é oxidado pelo oxigénio do ar a dióxido de azoto. N2 (g) + O2 (g) → 2NO (g) 2 NO (g) + O2 (g) → 2NO2 (g) O dióxido de azoto também tem reações que dão origem ao ozono (O3), (Slanina, 2008)

um gás muito tóxico e oxidante, que origina problemas de saúde graves ao ser

humano como dores torácicas, tosse e dor de garganta. ! 13! ! !

NO2 (g) → NO (g) + O (g) O (g) + O2 (g) → O3 (g) O monóxido de carbono, CO existe nas atmosferas proveniente do rodoviário

intenso.

introdução

catalisadores

nos

veículos

tráfego diminuiu

consideravelmente as emissões deste gás. COVs – compostos orgânicos voláteis são produtos químicos, como o metano, propano, butano xileno e benzeno que evaporam facilmente, pois têm pressão de vapor elevada e são muito reativos pois reagem facilmente com radicais livres. As partículas finas são uma mistura de substâncias orgânicas e inorgânicas como o pó, fumos, pólen e partículas provenientes do solo. As partículas mais perigosas para a saúde, pois a sua inalação causa problemas respiratórios graves são as PM10 (diâmetro < 10 µm). http://pt.wikipedia.org/wiki/Poluição_atmosférica 4.2.2. Poluentes secundários Os poluentes secundários resultam de reações químicas e transformações físicas dos poluentes primários. Ozono troposférico ou smog fotoquímico é o termo que designa a concentração de ozono na baixa atmosfera cuja origem é devida à reação de diversos poluentes emitidos para a atmosfera. Os aerossóis são pequenas partículas, suspensas no ar com um tempo de vida curto, são classificados como aerossóis primários (poeira ou partículas provenientes da combustão de gasóleo nos veículos motorizados), ou formados a partir da conversão de dióxido de enxofre, óxidos de azoto, amónia e compostos orgânicos através de reações químicas na atmosfera, a sulfatos, nitratos, compostos de amónia e compostos orgânicos não voláteis. 4.3. Controle da poluição atmosférica Reduzir os níveis de poluição deve ser uma preocupação para os governantes de todos os países do mundo. A tarefa é árdua pois exige uma ação internacional concertada, enormes investimentos e participação ativa dos cidadãos. Deve–se implementar um conjunto de medidas, como por exemplo: Instalação de dispositivos nas unidades industriais que diminuam e minimizem os efeitos da emissão de gases e poeiras. Existem algumas tecnologias que permitem esses efeitos tais como:

14!

1. Os ciclones de gases, que são separadores mecânicos de partículas, cujo principio de funcionamento assenta na separação de partículas por densidade, quando um gás é forçado a um movimento giratório. http://pt.wikipedia.org/wiki/Poluição_atmosférica

Fig.6. Ciclone de gases. ( http://www.geocities.ws/dmatias/trabalhos/cimento)

2. A câmara de precipitação eletrostática que captura as partículas e liberta o gás “limpo” para a atmosfera. 3. Aplicação de conversores catalíticos a todos os automóveis novos, de modo a diminuir a emissão de fumos e gases, nomeadamente CO2. Obrigatoriedade de inspeções periódicas a todos os veículos automóveis e implementação de valores máximos de emissão de CO2. 4. Substituição de produtos químicos perigosos, como por exemplo os CFC´s. que levam à destruição da camada de ozono. 5. Aplicação de normas como a revisão da legislação comunitária, através da publicação da Directiva 2008/50/CE de 21 de Maio, que permitiu incorporar os últimos progressos científicos e técnicos neste domínio: http://www.apambiente.pt/index.php?ref=16&subref=82&sub2ref=316 5 - Qualidade do ar no interior de edifícios Os principais problemas, inerentes à qualidade do ar na saúde pública, são associados à poluição atmosférica, no exterior dos edifícios. Não é no entanto em contato com o ar exterior, que a maior parte das pessoas passa o seu tempo de vida, mas sim no interior de edifícios, como habitações, creches, locais de trabalho, centros comerciais e lares para a terceira idade. ! 15! ! !

A quantidade de poluentes e a sua concentração são, geralmente, mais elevados do que no exterior. Nos espaços interiores, desenvolve-se uma população microbiana, proveniente de centenas de espécies de bactérias, fungos como bolores, que aumentam a propensão das pessoas para a doença. O uso de produtos do dia a dia (produtos de limpeza, tintas e vernizes, solventes, ceras, desodorizantes, lacas, sprays), contribuem para o aumento da concentração de poluentes orgânicos voláteis (COVs) e tornam o ambiente menos saudável. O fraco arejamento das casas pode aumentar a concentração de radão (o solo de granito é a principal fonte de radão, que se infiltra nos edifícios por fissuras no pavimento), um gás radioativo que pode provocar cancro de pulmão. De que depende a qualidade do ar interior? 1. Da quantidade e concentração de poluentes como o dióxido de carbono, o monóxido de carbono (um gás que causa morte por asfixia, pois tem mais afinidade para a hemoglobina do sangue do que o oxigénio) COVs e radão. 2. Da percepção que cada pessoa tem da qualidade do ar que respira, já que os

níveis de humidade relativa e temperatura, assim como a presença de certos COVs, podem ser “confortáveis” para algumas pessoas e desconfortáveis para outras. Há formas de prevenir e resolver estes problemas de qualidade do ar interior, que passam pela mudança de hábitos dos ocupantes, substituição de produtos por outros menos poluentes, ou

ajuste

das

taxas

ventilação!

.!!

http://www.apambiente.pt/index.php?ref=16&subref=82&sub2ref=319&sub3ref=338 !

A exposição a agentes biológicos no interior de edifícios comporta um risco

importante para a saúde. Segundo a Organização Mundial de Saúde, OMS , não é possível identificar, as espécies individuais de microrganismos ou outros agentes biológicos

responsáveis

por

efeitos

saúde

humana.

http://www.apambiente.pt/_zdata/Divulgacao/Publicacoes/Guias%20e%20Manuais/manu al%20QArInt_standard.pdf Algumas alergias mais comuns, como a asma e a rinite alérgica, podem ser atribuídas a um agente específico, como por exemplo os ácaros ou animais domésticos, como os gatos. É devido à humidade e à deficiente ventilação, que muitos microrganismos se desenvolvem no interior dos edifícios, responsáveis pelo aparecimento de casos de asma e dificuldades respiratórias. O ar ambiente no interior de um edifício resulta de diversos fatores como:

16!

a sua localização, clima, sistema de ventilação, fontes de contaminação e até o número de ocupantes do edifício. Fator

Fonte

Temperatura e valores extremos de humidade

Colocação imprópria dos termóstatos, deficiente controlo de humidade, número de equipamentos instalados e a taxa de ocupação.

Dióxido de carbono

Número de pessoas, queima de combustíveis fósseis, (gás e lenha).

Monóxido de carbono

Emissão de veículos (garagens, entradas de ar), combustões, fumos de tabaco.

Formaldeído

Contraplacado de madeira, isolamento de espuma, tecidos e cola.

Partículas sólidas, poeiras COVs

Fraca ventilação

Micro - organismos

Fumo, entradas de ar, isolamento de tubagens, limpezas.

Perfumes, lacas e solventes.

Vedação excessiva para poupança de energia Água estagnada em sistemas de ventilação, desumidificadores, refrigeração.

Tab.2. Fatores e fontes que afetam a qualidade do ar interior Fonte: Manual da Qualidade do ar interior. Agência Portuguesa do Ambiente.

5.1. Poluentes e efeitos na saúde pública Os efeitos dos poluentes na saúde humana, podem ser incomodativos, (odores desagradáveis; reações de irritação dos olhos, nariz e da boca), agudos e prolongados (reações alérgicas ou infeciosas e cancro no pulmão).

! 17! ! !

Descrição

Problema

Queixas Dores de cabeça,

Gases de escape da exaustão

Monóxido de carbono

náuseas, cansaço, vertigens

Sobrelotação, baixa taxa de Odores corporais

ventilação (elevados níveis de CO2 )

Cheiro a mofo Cheiro

químicos Cheiro a solventes perfumes e outros

Dores de cabeça, cansaço e abafamento

Material microbiano

Sintomas de alergia

Formaldeído, pesticidas e

Irritação dos olhos,

outros químicos

nariz e garganta Sintomas de alergia,

COVs

vertigens, dores de cabeça Olhos secos, problemas

Cheiro a cimento húmido, pó,

Partículas, sistema de

respiratórios, irritação

calcário

humidificação

do nariz e garganta, irritação na pele, tosse, espirros

Tab.3. Odores como indicadores de problemas nos edifícios Fonte: Manual da Qualidade do ar interior. Agência Portuguesa do Ambiente.

5.1.1. Medidas de controle. Apesar das medidas de controle da poluição a implementar para resolver os problemas, que afetam a qualidade do ar no interior de edifícios dependerem de vários parâmetros como localização, ocupação e sistemas de climatização, há medidas genéricas que se podem tomar, tais como: 1. Assegurar a limpeza do edifício ao final da tarde. 2. Eliminar as fontes de poluição. 3. Mudança para produtos de limpeza menos poluentes. 4. Manter a humidade relativa do ar interior abaixo dos 70% nos locais ocupados. Estes são alguns exemplos de medidas, a tomar para a resolução de problemas inerentes à poluição no interior de edifícios. No entanto as resoluções não são únicas e adequadas a todos os casos e dependem também dos meios existentes.

18!

5.2. O radão – poluente radioativo O radão é um gás radioativo natural, proveniente de pequenas quantidades de urânio e rádio presentes nos solos, rochas e nos materiais de construção. Este gás é inodoro, incolor e insípido. http://www.itn.pt A concentração de radão na atmosfera, não é constante e varia de região para região, devido à distribuição do urânio e rádio nos solos e rochas não ser uniforme. As concentrações mais elevadas destes elementos radioativos ocorrem em rochas graníticas. A libertação de radão para a atmosfera, está condicionada a vários parâmetros como a permeabilidade e porosidade dos solos, e também à pressão atmosférica, humidade e temperatura. !

No interior dos edifícios o radão acumula-se e alcança concentrações muito

elevadas em comparação com o exterior que podem chegar a atingir valores que variam entre 400 e 1000 Bq/m3.!http://www.itn.pt O risco radiológico associado à exposição ao radão pelas populações, deve-se sobretudo aos seus descendentes sólidos, tais como: polónio, bismuto e chumbo que se encontram no ar que se respira e que ao serem inalados irradiam os tecidos pulmões, dando origem ao cancro no pulmão.

Fig.7. Concentrações médias anuais de radão em Portugal Fonte:http://12bradioactiveseeds.blogspot.pt/2011_02_01_archive.html

O radão penetra nos edifícios através das zonas de contacto com as superfícies do terreno.

! 19! ! !

A União Europeia através da (Diretiva 90/143/ EURATOM) recomenda valores limite para edifícios já construídos de 400 Bq/m3 e para edifícios a construir de 200 Bq/m3. As medidas a tomar para alcançar estes valores passam pelo planeamento mais rigoroso, na construção de edifícios e na escolha dos materiais de construção. 6. Avaliação da toxicidade dos poluentes A toxicidade de uma substância não depende apenas da substância, mas também da quantidade de tóxico absorvido pelo organismo num determinado período de tempo, suscetível de causar dano. A toxicidade de uma substância é medida pelo índices LD50 (dose letal) e CL50 (concentração letal). LD50 – define a quantidade (mg/kg de peso corporal) dessa substância tóxica capaz de causar a morte, a 50% da população a ela exposta, ao ser administrada por qualquer via diferente da inalação, em condições de teste previamente estabelecidas. CL50 - define a quantidade (mg/kg de peso corporal) dessa substância tóxica capaz de causar a morte, a 50% da população a ela exposta, ao ser administrada por inalação, em condições de teste previamente estabelecidas. Os danos podem ser muito elevados em ambientes ocupacionais, quando os indivíduos permanecem por longos períodos em contato com as substâncias tóxicas. Por exemplo a inalação de benzeno, mesmo que em baixas concentrações, é suscetível de causar doenças graves como a leucemia. No entanto é preciso ter sempre em conta que o efeito adverso de muitas substâncias tóxicas varia com o sexo, idade e de indivíduo para indivíduo. 7. Chuvas ácidas 7.1 A acidificação da chuva A água quimicamente “pura” constituída unicamente por moléculas de água, não existe na natureza; não tem substâncias dissolvidas e tem pH igual a 7 (neutro). Na natureza, a água que mais se aproximaria da água “pura” seria a água da chuva, que conteria para além das moléculas da água, dióxido de carbono existente na atmosfera. Esta água da chuva teria um pH =5,6 ou pH=5,7 a 25ºC . A água da chuva já é ácida devido à presença de dióxido de carbono na atmosfera, mas com o aumento da poluição atmosférica, em relação direta com a industrialização e o tráfego rodoviário, manifestou-se um fenómeno designado por chuva ácida, com valores de pH baixos que em alguns casos atingem valores próximos de 2,0. Estes valores correspondem a uma concentração de [H3O+] 4000 vezes superior à da chuva normal. !

20!

7.2 Causas das chuvas ácidas A principal causa da acidificação da chuva é a presença na atmosfera terrestre de gases e partículas ricas em enxofre e azoto reativos, cuja hidrólise dá origem a ácidos fortes.

Fig.8. A queima de combustíveis fósseis na centrais termoelétricas liberta óxidos de enxofre [SOX] e de azoto [NOX] Fonte: http://www.theguardian.com/environment/2009/dec/15/copenhagen-rise-inemissions

Por outro lado a libertação de CO2 para a atmosfera devido a causas acidentais ou antropogénicas, contribui para o aumento do teor de CO2 no ar. Daí resulta o aumento da concentração de hidrogenocarbonato, HCO! ! (aq) o que provoca uma diminuição do pH da água da chuva para valores inferiores a 5,6.

Fig.9. 35, 6 mil milhões de toneladas de CO2 poderão ser enviados para a atmosfera em 2014 Fonte: http://veja.abril.com.br/noticia/ciencia/em-2012-emissoes-dedioxido-de-carbono-subirao-2-6

! 21! ! !

O dióxido de enxofre (SO2) é o principal responsável pelo aumento de acidez da chuva (Likens, 2010).

Os ácidos formam-se nas nuvens segundo as equações

químicas seguintes: SO2 (g) + H2O (l) ⇄ H2SO3 (aq) ⇄ H+ (aq) + HSO! ! (aq) SO2 (g) + ½ O2 ⇄ SO3 (g) SO3 (g) + H2O (l) ⇄ H2SO4 (aq) ⇄ H+ (aq) + HSO! ! (aq) Os óxidos de azoto, são emitidos para a atmosfera pelos escapes dos veículos automóveis. Os ácidos (nitroso e nítrico) formam-se nas nuvens devido à reação dos óxidos com a água segundo as equações químicas seguintes: NO•(g) + HO•(g) ⇄ HNO2(aq) ⇄ H+(aq) + NO! ! (aq) NO2•(g) + HO•(g) ⇄ HNO3(aq) ⇄ H+(aq) + NO! ! (aq N2O5 (g) + H2O (l) ⇄ 2 HNO3 (aq) ⇄ 2 H+ (aq) + 2 NO! ! (aq) O valor do pH da água da chuva que chega ao solo após a contribuição destes ácidos é inferior a 5,6. 7.3. Efeito das chuvas ácidas As chuvas ácidas têm um impacto adverso sobre as florestas, lagos e ecossistemas de importância vital para inúmeros animais, por exemplo um lago, cuja água tem um pH de 6,5 que baixa a 4,5 ou 4 devido à chuva ácida, podendo levar à morte da maioria dos organismos aí presentes. As chuvas ácidas também provocam efeitos negativos na saúde humana, já que poluentes como o dióxido de enxofre enviados para atmosfera, pode causar danos irreversíveis no sistema respiratório. A acidez das chuvas, devido ao seu carácter corrosivo, causa danos em edifícios e equipamentos expostos ao ar. A acidez do solo também aumenta com as chuvas ácidas o que o torna pouco produtivo e mais suscetível à erosão. As chuvas ácidas podem ocorrer a grandes distâncias das fontes poluidoras do ar, devido ao transporte das substâncias (gases) pelo ventos dominantes.

22!

Fig.10. Efeito das chuvas ácidas. Fonte: http://www.mundoeducacao.com/quimica/oxidos-chuva-acida.htm

7.4. O controle das chuvas ácidas O consumo elevado de energia na indústria, transportes e iluminação aumenta a quantidade de poluentes emitidos para a atmosfera. Deve-se adotar medidas para tornar mais eficiente e mais económico o consumo de energia.

Fig.11. Metro um transporte coletivo. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Metro_do_Porto

A – O homem deve efetuar mudanças no seu comportamento de maneira a gastar menos combustíveis, como por exemplo: 1. Reduzir o consumo de eletricidade nas suas casas. 2. Conduzir mais devagar, utilizar os transportes públicos ou andar a pé. 3. Os combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural) são utilizados para satisfazer cerca de 75% dos gastos energéticos. Estes combustíveis são uma fonte de energia esgotável, para além de ser extremamente poluente e como tal deve ser substituída ! 23! ! !

por outros tipos de energias mais limpas, as energias renováveis como a energia hidroelétrica, geotérmica, eólica, energia das ondas e das marés que são inesgotáveis e a energia nuclear.

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Fig.12 – Esquema de uma central nuclear.

Fonte: http://forum.antinovaordemmundial.com/Topico-o-novo-blocoatômico-na-europa

B - Utilizar chaminés de grande altura o que permite evitar a poluição local, já que a velocidade do vento aumenta em altura e transporta os gases emitidos para longe, (inconveniente: na maioria das vezes vai afetar outros locais mais distantes da fonte poluidora). Por isso deve-se otimizar o processo de forma a que a poluição a acontecer seja minimizada.!http://www.qualar.org/?page=5&subpage=11 A remoção na fonte também deve ser umas das formas de controle da poluição atmosférica. O teor de enxofre, nos combustíveis fósseis pode ser removido com a utilização de dispositivos de dessulfurização instalados após a queima ou nas chaminés das centrais termoelétricas. C - Utilizar conversores catalíticos mais eficientes nos automóveis que permitem converter gases nocivos, provenientes da combustão da gasolina ou gasóleo, nos motores dos automóveis em gases mais limpos. São constituídos por pequenas esferas revestidas de catalisador metálico (Pt, Cu, Pd, ou Rh) que convertem gases, como o monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos voláteis, em dióxido de carbono (CO2) e vapor de água (H2O) e os óxidos de azoto (NOx) em N2 (azoto) (Paiva, 2002).

24!

Fig.13. Esquema de um conversor catalítico. Fonte:http://www.jcpaiva.net/files/ensino/alunos/20022003/proj/970303002/Projecto/Image25.jpg

D -! As atividades agrícolas ao longo dos anos aumentaram a acidez dos solos e tornaram a terra estéril. Para diminuir a acidez deve-se deixar as raízes e as folhas permanecer no solo aquando da extração do tronco para fins industriais.

Fig.14. Esquema da dispersão de poluentes com origem numa fonte pontual. Fonte: http://www.qualar.org/?page=5&subpage=11

! 25! ! !

8. Atividade laboratorial: Introdução A minimização dos efeitos das chuvas ácidas. O carbonato de cálcio pode atuar como redutor da acidez nos lagos rios e solos. Este processo de redução de acidez é designado por “calagem” (Paiva, 2002) e a equação química que o traduz é a seguinte: CaCO3 (s) + 2 H3O+ (aq) → Ca 2+ (aq) + CO2 (g) + 3 H2O A quantidade necessária para corrigir o pH para 6,5 depende do grau de acidez do tamanho do lago ou da extensão. A “calagem” deve ser repetida em intervalos de tempo de dois ou cinco anos

sendo por isso um processo caro e demorado, mas necessário, para manter os recursos hídricos

condições!

http://www.ambienteterra.com.br/paginas/chuvaacida/capitulos/06evitar.html Esta atividade baseia-se na atividade laboratorial A.L.2.2 – Chuva “normal” e chuva ácida. !

Questões prévias. (Martins et al., 2003)

1- Porque é que a chuva pode ter diferente acidez? 2- Os efeitos provocados em diferentes águas pelas chuvas ácidas serão sempre os mesmos?

! !

Objetivo da atividade (Martins et al., 2003)

•

Observar a formação de CO2 e de SO2

•

Verificar se a dissolução destes compostos altera o pH da água destilada.

•

Compreender a acidificação natural e artificial de águas provocada por poluentes atmosféricos. Esta atividade pretende que o estudante saiba: Reconhecer o laboratório como local de trabalho onde a segurança é fundamental na

•

manipulação de material, de reagentes e equipamento. Interpretar, qualitativamente, a acidificação de uma água, ou de uma solução aquosa

•

provocada pela reação do dióxido de carbono. Interpretar a formação de chuvas ácidas a partir da reação com óxidos de enxofre,

•

explicitando as correspondentes equações químicas. !

26!

•

Inferir que águas em contato com óxidos de azoto e enxofre podem originar soluções com pH inferior a 5,6 (temperatura de 25ºC e pressão de uma atmosfera).

•

Interpretar a diminuição do pH de um meio aquático por adição de uma solução de ácido e relacionar essa variação com a composição do meio.

•

Prever a força relativa de um ácido monoprótico a partir do valor de Ka.

•

Aplicar a metodologia de resolução de problemas por via experimental (Martins et al., 2003). Avaliação

Cada grupo de trabalho deverá •

Apresentar um plano de ação para a resolução do problema proposto.

•

Organizar as tabelas/quadros de registo dos valores obtidos e fazer representações gráficas.

•

Responder às questões formuladas. !

Questões pré-laboratoriais O que acontece à água destilada se estiver em atmosfera aberta? R: A água destilada se estiver em contato com o ar, dissolve o CO2 presente e diminui o seu pH. Em que condições terá a água destilada pH=7? R: A água destilada terá pH = 7 se for aquecida até ao seu ponto de ebulição, para libertar todos os gases dissolvidos e arrefecer protegida do contato com o ar. Quais são as equações químicas que traduzem a formação de “chuvas ácidas”? Acidificação natural: CO2 (g) + H2O (l) ⇄ H2CO3 (aq) + H2CO3 (aq) + H2O (l) ⇄ CO! ! (aq) + H3O (aq)

Acidificação pela dissolução de óxidos de enxofre: SO3 (g) + H2O (l) ⇄ H2SO4 (aq) Porque é que as chuvas ácidas tem pH menor do que 5,6? R: As chuvas ácidas têm pH menor que 5,6 devido à presença de óxidos de enxofre e de azoto que são gases poluentes. ! 27! ! !

Materiais

Fórmula

Medidas de

Química

Segurança - Pode ser corrosivo para os metais.

Ácido clorídrico

HCl

- Provoca queimaduras na pele e lesões graves. - Pode provocar irritação das vias respiratórias. -

Tóxico

corrosivo. Ácido sulfúrico

H2SO4

- Evitar o contato com a pele provoca queimaduras graves. - Não inalar.

Carbonato de cálcio

Sulfito de sódio

- Produto CaCO3

considerado não perigoso.

Na2SO3

Dióxido de carbono

CO2

Dióxido de enxofre

SO2

! - Evitar o contato com a pele. - Não inalar ! - Não inalar /!Gases tóxicos - Não inalar!

Tab.4. Materiais utilizados na atividade Fonte: http://www.sigmaaldrich.com

28!

Procedimento: Material Óculos de proteção Luvas de borracha Kitasato Rolha de borracha furada Funil de carga Funil de líquidos Tubo de ensaio Gobelé de 200 ml Sensor de pH Espátula Algodão Pipeta Reagentes Ácido clorídrico (2,0 mol.dm-3) Ácido sulfúrico (2,0 mol.dm-3) Carbonato de cálcio Sulfito de sódio Resíduos Dióxido de carbono Cloreto de cálcio em solução Dióxido de enxofre Sulfato de sódio em solução. Ácido clorídrico. Ácido Sulfúrico.

! 29! ! !

1- Preparação de CO2 – este trabalho deve ser realizado na Hotte

! Fig.15. Material a utilizar na preparação de CO2

1.1. Introduzir 3,0g (espátula grande) de CaCO3 no Kitasato. 1.2. Colocar um pedaço de algodão embebido em água destilada (simula a nuvem) num tubo de ensaio e acoplar à saída do Kitasato.! 1.3. Introduzir 25 ml de HCl (aq) no funil de carga (metade do funil). Abrir a torneira e deixar correr as gotas de HCl até não haver mais ácido no funil. Deixar o gás que se liberta (CO2) entrar no tubo de ensaio e contactar com o algodão embebido em água destilada.

Fig.16. O HCl (aq) é introduzido no funil de carga para reagir com o CaCO3, que foi introduzido previamente no Kitasato.

1.4. Deitar água destilada num copo graduado. 1.5. Colocar o medidor de pH no gobelé com água destilada. 1.6. Tomar nota do valor de pH 1.7. Com a ajuda de uma espátula, colocar o algodão humedecido e através do qual passou CO2 no gobelé. 1.8. Registar o valor de pH.

30!

Fig.17. Colocar o algodão humedecido (nuvem) na água destilada cujo pH já tinha sido medido e medir novamente o pH

2. Preparação de SO2 – este trabalho deve ser realizado na Hotte

!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!! Fig.18. Material a utilizar na preparação de SO2

2.1. Introduzir 3,0g de Na2SO3 no Kitasato. 2.2. Colocar um pedaço de algodão (simula a nuvem) embebido em água destilada num tubo de ensaio e acoplar à saída do Kitasato.

! 31! ! !

! Fig.19. Kitasato e algodão num tubo de ensaio a simular a nuvem

2.3. Introduzir 25 ml H2SO4 no funil de carga (metade do funil). Abrir a torneira e deixar correr as gotas de H2SO4 até não haver mais ácido no funil. Deixar o gás que se liberta (SO2) entrar no tubo de ensaio e contactar com o algodão embebido em água destilada. 2.4. Deitar água destilada num gobelé. 2.5. Colocar o medidor de pH no copo graduado com água destilada. 2.6. Tomar nota do valor de pH 2.7. Com a ajuda de uma espátula, colocar o algodão no gobelé. 2.8. Registar o valor de pH. Questões pós-laboratoriais 1. Escreva as equações que correspondem às reações químicas realizadas para produzir CO2 e SO2. Reação química para produzir CO2: 2 HCl (aq) + CaCO3 (s) → CaCl2 (aq) + CO2 (g) + H2O (l) Reação química para produzir SO2: H2SO4 (aq) + Na2SO3 (s) → Na2SO4 (aq) + SO2 (g) + H2O (l) 2. Interprete a acidificação da água através da reação com CO2 e/ou S02. O dióxido de carbono e/ou o dióxido de enxofre reagem com a água e formam ácidos que sofrem autoprotólise e baixam o pH devido ao aumento da concentração de iões H3O+ na água do gobelé.

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Uma atividade alternativa à realizada, será a produção laboratorial de CO2 e SO2 e fazer borbulhar estes gases, numa água em sucessivos intervalos de tempo e registar os valores do pH. Material -

Utilizar o mesmo material da atividade anterior com exceção do Kitasato, do tubo de ensaio e do algodão para simular a nuvem.

Procedimentos (estes procedimentos devem ser realizados na Hotte). 1.1. Utilizar um frasco com duas tubuladuras, onde se introduz 3,0 g (espátula grande) de CaCO3 . 1.2. Introduzir lentamente 25 ml de HCl (aq) com um funil no frasco de duas tubuladuras.

Fig.20. Frasco com duas tubuladuras

Deixar o gás que se liberta (CO2) borbulhar no gobelé com cerca de 100 ml de água destilada, coloque no gobelé um medidor de pH. 1.3 Registar os valores de pH, de 30 em 30 s , na tabela seguinte. Ensaio Tempo de contato CO2/s pH

120

150

180

210

240

! 33! ! !

2.1. Proceder como indicado, no procedimento anterior para a produção de SO2, substituindo o CaCO3 por Na2SO3 e o HCl por H2SO4 2.2. Registar os valores de pH, de 30 em 30 s , na tabela seguinte: Ensaio Tempo de contato SO2/s pH

120

150

180

210

240

! ! ! ! ! ! ! Retirar conclusões sobre a variação de pH ao longo do tempo.

Os estudantes deverão concluir que a variação do pH nos lagos, rios e oceanos vai afetar todo o ecossistema marinho e a cadeia alimentar, o que coloca em causa a sobrevivência de todas as espécies.

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Anexo O pH como indicador da qualidade da água. Através da atividade realizada chega-se à conclusão que há alterações do pH, da água da chuva devido á reação quer com CO2, quer com SO2 o que por sua vez conduzirá a acidificação da água dos rios, lagos e oceanos, o que não sendo a principal causa de alterações do ecossistema contribui bastante para que essas alterações se verifiquem. (Por dissolução direta destes gases na água dos oceanos, lagos e rios também ocorre a respetiva acidificação).! O sistema que regula o pH das águas naturais é o dos carbonatos (CO2 livre, CO2 !! + H2O, H2CO3, HCO! ! e CO! )

Considerando o equilíbrio de ionização do ácido HA HA(aq) ⇄ A! (aq)+ H ! (aq) Define-se a constante de acidez, Ka ,que apenas depende da temperatura, como: Ka =

!! ! !!

onde se utilizaram concentrações e não atividades das espécies envolvidas, por se tratar de soluções diluídas (fatores de atividade unitários). . Logaritmizando a expressão anterior obtem-se: log Ka = log H+ + log

!! !"

de onde se deduz !!

pH = pKa + log

e portanto, se A! = HA , então pH = pKa Para a reação traduzida pela equação química + CO2 (aq)+ H2O(l) ⇄!!HCO! ! (aq)+ H (aq)

vem Ka1 =

! !"!! !! !

!!!

= 10!!,! , a T= 298 K

e pH = 6,4 + log

!"#!! !"!

ou seja, quando [CO2] = [HCO! ! ] vem pH = p Ka1 = 6,4 ! 35! ! !

e a reação + !! HCO! ! ⇄ CO! + H

vem Ka2 =

! !!!! ! ! !

!"!! !

= 10!!",! a 25ºC

e pH = 10,3 + log

!! ou seja quando [HCO! ! ] = [CO! ] vem

!"! !

!"#! !

pH = pKa2 = 10,3

Em suma, se o valor de pH < 6,4 é porque predomina o CO2 dissolvido. A concentração de hidrogeniões determina a concentração de muitas outras espécies, nomeadamente as que resultam da dissociação de ácidos. A variação do pH afeta as águas de utilização doméstica, rega e ecossistemas nomeadamente peixes e outra vida aquática. O efeito das variações de pH na vida piscícola depende de outro fatores como a temperatura, oxigénio dissolvido e composição química da água. A toxicidade de muitos poluentes comuns é afetada pelo pH, tornando-se mais tóxicos quando há acidificação do meio. Para não provocar irritação nos olhos e na pele o pH da água deve ter valores entre 6-9.

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