Energia solar - Material do Educador by Mentes Brilhantes Brinquedos Inteligentes

mentes brilhantes brinquedos cientĂficos inteligentes

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Desenvolvido por: Mentes Brilhantes - Brinquedos Inteligentes LTDA Edição de texto: Thiago Farias e Vilmar Minella Junior Revisão: Djali Avelino Valois e Luciana Schmidt Projeto Gráfico: Emily Biasi Julho de 2011

Índice:

Para ter em mente

Primeiramente Problematização inicial

Introdução à fenomenologia que será explorada

3 Ativamente

Propostas de atividades de exploração

Inquietamente Textos de apoio pedagógico

17 Cientificamente

Terminologia principal

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Para ter em mente O brinquedo se fundamenta no princípio de transformação de energia, com o objetivo final de manifestar a energia sob a forma de energia cinética. Para tanto, a energia se manifestará antes como elétrica e luminosa. Em outras palavras: se desejamos que o carrinho se mova, é preciso velocidade; que, por sua vez, é produzida quando o motor é ativado pela corrente elétrica gerada pela célula solar do brinquedo.

Principais termos a serem usados: • energia elétrica • luz e energia luminosa • transformação de energia

• célula e painel solar • Intensidade (luminosa) • energia cinética

Primeiramente Para começar, crie um ambiente de curiosidade. Propomos a seguinte aproximação ao tema: Agora nós brincaremos com veículos pequenos. Alguém tem um brinquedo que se movimenta? Ou mexe algumas de suas partes? Ou faz barulho? Eu tenho uma boneca que mexe as pernas e os braços!

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes O meu carrinho de controle remoto!

Minha mãe me deu um celular!

Ah, legal! Mas esses brinquedos se movem sem parar? Ou tem que ligar?

Meu celular precisa, sim!

Eu ligo o carrinho e uso o controle.

Ah, minha boneca não precisa ligar, não.

E para ligar o brinquedo precisa colocar uma coisa antes, não? Pôr a pilha!

Apertar o botão!

Muito bom! Apertar o botão não adianta sem a pilha, mas a pilha serve pra que? Para ligar! Isso! A pilha vai ligar o motor, a tela ou a caixa de som do brinquedo.

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Tem bonecos que não usam pilhas, porque não têm motor.

Mas o brinquedo de hoje não vai utilizar uma pilha para ativar o motor! O que será que substitui a função da pilha?

Coloca na tomada, que nem o meu videogame! Boa ideia! Porém o nosso brinquedo também não está ligado na tomada! E mesmo assim alguma coisa fornece energia elétrica. Vamos ver o que é!

Entregue os brinquedos e peça para que os estudantes identifiquem cada componente e suas funções no brinquedo.

Então, pessoal, vocês viram as rodas?

São cheias de dentinhos...

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Elas são chamadas de engrenagens e servem para transferir o movimento do motor para as rodas do brinquedo.

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Mais alguma coisa diferente ou estranha?

Tem uma placa escura. O que você acha que ela faz? Não sei não...

Hum. O brinquedo usa pilha? Deve usar, porque tem um negócio para por ela. Bem verdade, ele até pode usar a pilha. Mas não precisa sempre!

Pode colocar essa placa no lugar da pilha e o brinquedo funcionará, sabia? Legal! Vamos testar, então?

Duvido!

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Durante a montagem, os estudantes terão algumas dúvidas, inclusive sobre o funcionamento de cada componente; cabe ao educador ajudar a respondê-las e estimular que busquem repostas próprias. É importante lembrar das conexões entre as peças, tais como o engate de dentes das engrenagens, dos componentes do circuito elétrico e também verificar se as rodas e eixos estão livres para girar.

Ativamente Proposta de atividades de exploração dos fenômenos naturais, apropriação de linguagem, fixação e reforço, por meio de diálogo do mediador com os estudantes.

1. A rua ainda é melhor lugar para brincar! Objetivo: Notar que a diferença da intensidade luminosa entre ambiente fechado e aberto interfere no brinquedo.

Vocabulário: • • • •

luz célula solar / painel solar energia elétrica intensidade

Quais modelos posso usar? SENIOR SOLAR: todos os 22 modelos.

O que fazer? Essa atividade tem duas etapas; uma delas será feita em ambiente fechado e a outra em ambiente aberto, que tenha bastante iluminação natural e espaço. Construa os modelos sem pilhas mas com os painéis; depois disso, pergunte aos usuários se o brinquedo está funcionando. Questione quais as causas para que ele esteja imóvel em ambiente interno. Ao levar os modelos para o ambiente externo, se houver luz solar atingindo o ambiente, provavelmente irão funcionar. Nesse momento é preciso uma intervenção do mediador para discutir o que e como aconteceu. Pergunte aos usuários o que eles notaram a respeito da diferença entre os dois ambientes e o que deve ter cau-

sado tal mudança. Enfatize que o brinquedo funcionou enquanto estava em ambiente descoberto, quando a luz do Sol agia sobre os painéis solares. O mediador fica encarregado de induzi-los à conclusão de a luz solar ser fundamental para funcionar.

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O que pode dar errado? Pode ser que o céu esteja nublado e o brinquedo não se mostre funcional com os painéis solares. (Veja a atividade 4). Pode haver pontos no ambiente interno que estejam sendo diretamente iluminados pelo Sol; próximo da janela, por exemplo. Use o brinquedo em um lugar que não seja atingido pela luz di-

retamente. Se a intensidade de luz é baixa em ambiente externo e o brinquedo não funciona, levante-o para ver se ao menos um pouco de corrente elétrica está sendo gerada e gira o motor.

O que acontece? O funcionamento do brinquedo depende da corrente elétrica que surge na interação entre a luz e o material semicondutor das células solares; quanto maior a corrente, maior será a velocidade do motor. A intensidade da corrente elétrica (quantidade de cargas que atravessa uma secção de um fio por unidade de tempo) depende da intensidade de luz (a potência transmitida pela luz por unidade de área). Somente alguns tipos de radiação conseguirão “arrancar” elétrons do semicondutor e isso depende apenas da energia que os fótons carregam consigo; “ondas de rádio”, por exemplo, não ativam o painel solar, enquanto o “infravermelho próximo”, radiação que é a emitida com mais intensidade pelo Sol, consegue. A intensidade da luz pode ser definida como a quantidade de fótons que atingem uma área por unidade de tempo. E o número de

elétrons que se tornam condutores dependerá da quantidade de fótons que atingem a célula. Portanto, se a radiação incidente for capaz de excitar os elétrons do átomo, a intensidade dela mudará somente a corrente elétrica; não adianta tentar o mesmo efeito com ondas de rádio, por mais intensas que sejam. A intensidade de luz dentro de uma sala de aula é menor em relação ao ambiente externo, pois apenas uma parte pequena de toda a luz solar entra diretamente, e, antes de entrar, a luz sofre sucessivas interações com outros corpos; a cada interação reduz-se a intensidade. Consequentemente, a intensidade luminosa varia dependendo dos obstáculos que a luz teve que atravessar - isso se ela puder transpor tais obstáculos - ou dependendo dos objetos pelos quais foi refletida.

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2. Sem sombra de dúvida, ou não? Objetivo: Caracterizar o funcionamento do brinquedo em função da luz solar, demonstrando que a sombra é a ausência de luz e que a posição da célula em relação à fonte de luz tem efeito na eficiência do brinquedo.

Vocabulário:

• sombra • intensidade

Quais modelos posso usar? SENIOR SOLAR: todos os 22 modelos.

O que fazer? Nesta etapa o importante é deixar os estudantes brincarem à vontade. Deixe-os por a mão ou algum objeto na frente do painel, impedindo que a luz solar chegue até o brinquedo. Eles devem descobrir que é preciso que a sombra se projete na célula, para que o brinquedo pare. Depois que eles notarem isso, vale a pena formalizar o que aconteceu, partindo de perguntas sobre o que eles fizeram, porque fizeram e o que aconteceu a partir disso. Por exemplo: • Por que você coloca a mão na frente do painel solar?

•Mas a mão (nesta situação) causa o quê? • Então, o que é a sombra? É a falta de luz? • A sombra precisa estar em um lugar específico para o brinquedo parar? Você pode propor aos estudantes uma competição, em que os modelos disputam qual chega antes ao ponto final da trajetória. Recomendamos o uso dos modelos que se deslocam. Alerte que os brinquedos podem se chocar ou saírem da trajetória. Para melhores resultados, veja a atividade seguinte.

O que pode dar errado? A intensidade de iluminação do ambiente pode mudar rapidamente, como quando uma nuvem passa na frente do Sol e isto afeta a observação do resul-

tado. Fique atento, pois isso pode gerar conclusões equivocadas sobre o fenômeno.

O que acontece?

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Os corpos podem absorver, transmitir e refletir a luz. Normalmente, uma das alternativas anteriores se torna mais evidente, mas nunca ocorre sozinha; sempre há perda de intensidade quando a luz atravessa o vidro, por exemplo. Na figura, há a representação hipotética de um raio de luz atingindo três materiais diferentes. Cada raio de luz foi dividido em 3 “partes” como exemplo: a parte mais larga caracteriza 60% da luz, a mediana é 30%, e a mais estreita é 10%. Para cada material, uma porcentagem diferente de luz é refleti-

da (retorna ao encontrar o objeto); absorvida (não atravessa); ou transmitida (atravessa o objeto). Os fenômenos são os mesmos da atividade anterior; porém, nesta atividade, há mais ênfase na absorção de luz por alguns materiais. Quando alguns objetos absorvem ou refletem bastante luz, ela não atravessa o corpo e, por isso, a sombra surge imediatamente depois. Então, a sombra é a ausência de fótons atingindo o local, pois estes foram absorvidos antes de alcançarem a região onde há a sombra.

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3. Virado para o sol Objetivo: Relacionar o ângulo de inclinação com a potência do brinquedo.

Vocabulário: • inclinação • área • potência

Quais modelos posso usar? SENIOR SOLAR: todos os 22 modelos.

O que fazer? Para que os estudantes percebam que a inclinação é relevante, deixe-os à vontade para escolherem o que fazer, para onde apontar a célula e o melhor ângulo para tal. Se as condições forem favoráveis, eles poderão verificar que quanto mais a face ficar alinhada com a fonte de luz, melhor, pois a potência

do motor será maior. Indique que usem ângulos extremos. É importante apontar que a intensidade de luz no ambiente não mudou, mas que o ângulo de inclinação muda a área a ser atingida e, portanto, mudará a energia transferida para as células ao longo do tempo, ou seja, mudará a sua potência.

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O que pode dar errado? Os ajustes podem não ser suficientes para notarmos alguma diferença na velocidade do brinquedo. Mude a posição relativa do brinquedo em relação

ao Sol. Nesta e em outras atividades, o uso de multímetros pode ser muito útil, pois fornecerá maior precisão ao experimento.

O que acontece? A mudança de engrenagem faz com que mude a razão entre as velocidades angulares dos dois eixos (do motor e das pás). De modo simples, considere uma engrenagem com 60 dentes (amarela) e outra com 20 dentes (vermelha). Se os dentes estão conectados de alguma maneira (entre si ou com corrente) enquanto a grande completar 1 volta, quer dizer que no ponto de encontro das engrenagens os 60 dentes passaram ali. Nesse mesmo caso, a roda menor tem que passar 60 dentes, mas como só tem 20, ela completa 3 voltas. A velocidade angular da pequena é 3 vezes maior que a da grande, porém a taxa de dentes que passam no ponto de encontro é a mesma para ambas, por exemplo, 3 dentes por segundo. Mas

isso não explica porque o vento não consegue mover um dos conjuntos de engrenagem, apesar de explicar porque em um dos casos (que é oposto) as pás giram rapidamente e não acendem o LED. Apesar de a engrenagem amarela ficar a uma frequência inferior, o torque em seu eixo é maior. O caso contrário ocorre para o eixo da engrenagem vermelha, em que a frequência é superior, embora o torque no eixo seja menor. Para se perceber isso, pode-se aplicar uma certa força nos eixos móveis dessas engrenagens. A força necessária é maior no eixo da roda maior; como o raio do eixo é igual para as engrenagens, a força para impedir o giro é um indicador do valor do torque.

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4. Como se desfaz o que uma lâmpada faz? Objetivo: Identificar que a luz emitida por uma lâmpada incandescente consegue causar o mesmo efeito que a solar e perceber que a distância da fonte de luz influencia na brincadeira.

Vocabulário:

• intensidade • distância • potência

Quais modelos posso usar? SENIOR SOLAR: todos os 22 modelos.

O que fazer? Essa atividade é importante para comparar a luz emitida pelo Sol e pela lâmpada. De qualquer modo, este é um experimento relevante para conversar sobre intensidade e potência. Vale a pena lembrar que o processo que origina a luz não é igual em nestes dois casos. Quando o ambiente externo for incapaz de propiciar a brincadeira, lâmpadas serão uma boa alternativa. Você pode colocar a lâmpada em uma luminária e usar uma extensão, facilitando a mobilidade necessária. Essa atividade exige cuidado da parte do mediador para evitar que os estudantes sofram possíveis queimaduras pela proximidade com o bulbo da lâmpada, especialmente se esta for do tipo incandescente. Aproximar a lâmpada de 100 W para menos de 15 cm pode danificar as células solares devido ao

aumento de temperatura dos componentes. Fundamentalmente, devemos pedir que os estudantes posicionem a lâmpada a diferentes distâncias em relação ao painel solar, para comparar o funcionamento do brinquedo. Depois dessa etapa, o mediador pode indagar sobre o que fizeram e o que ocorreu em cada momento, ressaltando que quanto mais próxima da célula estiver a lâmpada, mais intensa ficará a luz naquela região ou área e, então, mais energia estará sendo transformada. Para uma discussão mais profunda, use lâmpadas do tipo fluorescente, que emitem pouca radiação infravermelha e bastante luz visível, e compare os efeitos com a incandescente. Essa é uma boa maneira de introduzir uma discussão sobre o espectro luminoso e o tipo de radiação que ativam as células.

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O que pode dar errado?

A lâmpada pode não fornecer intensidade suficiente. Isso dependerá da potência da lâmpada e da distância entre ela e a célula. Recomendamos o uso de uma lâmpada incandescente de 100 W

a 15 cm da célula solar. A lâmpada também pode emitir pouca intensidade de radiação na faixa que ativa a célula. Nesse caso, use uma lâmpada incandescente.

O que acontece? Uma lâmpada incandescente emite fótons do “infravermelho próximo” com bastante intensidade, que são os fótons que possuem energia mínima para ativar as células solares. Como os fótons da luz visível - que são emitidos tanto por lâmpadas incandescentes quanto por fluorescentes - têm energia maior, também provocam o efeito desejado. Podemos também verificar que a intensidade de luz (de fótons) que atinge a célula solar vai depender (de modo inverso) da distância entre a lâmpada e a célula solar, cujo fenômeno é representado na figura ao lado. Perceba que os objetos colocados em distâncias diferentes são irradiados com intensidade diferente pela fonte de luz; quanto maior a distância menor a intensidade de luz. Para entender a imagem, considere que cada raio seja

um caminho a ser percorrido por fótons diferentes. Observe que quanto mais distante da fonte, menos fótons atingem os objetos e menor a intensidade de luz.

5. Contrariando o motor Objetivo: Notar que invertendo o sentido da corrente elétrica, inverte-se o sentido de rotação do brinquedo.

mentes brilhantes? Vocabulário:

• Corrente elétrica • Pólo positivo e negativo

Quais modelos posso usar? SENIOR SOLAR: todos os 22 modelos.

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O que fazer? Troque a posição dos conectores (extremidades) que estão conectadas aos painéis. O que estava no polo positivo agora estará no negativo. Pergunte o

que mudou na brincadeira. Coloque novamente na posição inicial: o que acontece?

O que pode dar errado? Pode ocorrer confusão quanto aos fios que devem ser mudados de posição, o que pode até gerar um curto-circuito. Na atividade, pedimos que se troque a posição dos conectores elétricos que

estão nos polos dos painéis. Em outras palavras, o conector que está no polo positivo deve ir para o lugar do negativo e vice-versa.

O que acontece? Fazendo a troca dos polos você está mudando o sentido da corrente elétrica e a direção de giro do motor. A mudança no sentido da corrente elétrica surge com a inversão da tensão elétrica, que faz os elétrons se deslocarem em sentido contrário ao anterior.

A direção de giro do motor muda devido à inversão do sentido da força que promove o torque no eixo do motor. Essa força, por sua vez, surge da interação entre o campo magnético e a corrente elétrica.

6. Brincadeira não tem hora Objetivo: Identificar que a intensidade da radiação solar é maior perto do meio-dia e menor no pôr do sol e que as nuvens bloqueiam parte da luz.

Vocabulário:

• intensidade • atmosfera

Quais modelos posso usar? SENIOR SOLAR: todos os 22 modelos.

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O que fazer?

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Essa brincadeira não é demorada, porém ela depende do mediador e dos estudantes terem um horário bastante flexível para realizarem a atividade. O importante é que os estudantes percebam qual horário é melhor para brincar. Esperamos que notem que a intensidade da luz, ou radiação, é menor durante o nascer ou pôr do sol em comparação ao meio-dia. Nesse caso, a formalização é mais trabalhosa do que nos outros experi-

mentos, já que este faz uso de aspectos não observáveis diretamente. Talvez o primeiro passo seja apontar a posição do Sol em cada momento e relacionar o efeito obtido à quantidade de matéria que a luz atravessa na atmosfera em cada situação. Um desenho do globo terrestre e de sua atmosfera pode ser muito útil para ilustrar isso. Você também pode fazer uso da lâmpada para explicar esse efeito; use-a como se fosse o Sol e relembre as atividades 3 e 4.

O que pode dar errado? • O céu pode estar limpo (sem nuvens) e depois mudar de condição. • As sombras de edificações podem ser um problema, pois podem afetar a intensidade da luz que atinge

os painéis. • Em alguns casos, a intensidade da luz é tão baixa que inviabiliza a atividade. Verifique se o ambiente permite a sua realização.

O que acontece? Quando a radiação solar encontra a atmosfera terrestre, interage com os gases através de inúmeras maneiras. A intensidade da radiação que atinge a superfície terrestre (mares, oceanos e crosta) é menor do que aquela que chega na atmosfera, pois fótons são espalhados ou absorvidos nesta. Durante o meio-dia, o Sol estará o mais próximo possível da posição vertical; mas, durante o pôr ou nascer do sol, estará na posição mais horizontal possível em relação à superfície. Na fi-

gura abaixo, mostramos que a posição relativa do Sol modifica a distância que a radiação percorre na atmosfera até nos atingir. A consequência disso é que no primeiro caso, a luz precisa atravessar 1000 km de ionosfera e 50km de troposfera, onde a radiação tem grande chance de interagir com os gases. Porém, no segundo caso, além de atravessar a ionosfera, a luz deve viajar pela troposfera por mais de 1000km, e isso acarreta a perda de intensidade luminosa.

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Quanto tempo dura a brincadeira? Objetivo: Comparar a tempo de recarga com o tempo de descarga da pilha, ou seja, duração da brincadeira.

Vocabulário: • • • • •

Trabalho Energia mecânica Energia elétrica Tensão Corrente elétrica

Quais modelos posso usar? Modelos do conjunto WIND POWER: dois aerogeradores.

O que fazer? Você precisará de pilhas do tipo AA recarregáveis. Para recarregar uma pilha nessa atividade são necessários apenas as células solares e o suporte de pilha. Antes de recarregar a pilha, é indicado que se pense o melhor posicionamento das células solares de acordo com o ambiente. Essa atividade precisa dos modelos apenas em um segundo momento,

quando sugerimos contar o tempo levado para a pilha descarregar completamente e compará-lo com o tempo para carregá-la. É possível ainda abrir um debate sobre “potência”, pois a energia elétrica armazenada na pilha é a mesma, mas os tempos de carregamento ou descarregamento podem ser diferentes.

O que pode dar errado?

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A pilha pode não estar descarregada totalmente antes de recarregá-la ou estar “viciada”. Isso alterará a diferen-

ça entre os tempos de carregamento e descarregamento.

brinquedos científicos inteligentes O que acontece? Em um brinquedo sem os painéis, ao comparar o tempo em que a pilha ficou carregando com o tempo em que foi descarregada, é possível discutir sobre potência. Por exemplo, se a pilha permitir 30 minutos de funcionamento

e demorou 3 horas para carregar, isso quer dizer que a potência de funcionamento do motor elétrico é bem maior que a potência elétrica do painel solar. Também o contrário pode ocorrer.

Inquietamente Textos de apoio pedagógico (aprofundamento teórico geral, discutindo conceitos, fenômenos naturais e questões tecnológicas)

O que a célula solar faz?

O termo solar indica que a luz que vem do Sol é fundamental para que este componente funcione. Você percebeu que o painel solar, composto por várias células solares, ligava um motor elétrico. Então, de alguma maneira (ver abaixo) a célula solar converte luz em corrente elétrica, que é capaz de acionar os motores dos brinquedos ou carregar uma pilha. De modo mais formal, podemos dizer que a célula solar transforma a energia emitida pelo Sol, transmitida pela luz, em energia elétrica. Quanto mais intensa a luz solar (ao meio-dia de um dia ensolarado, por exemplo) mais energia luminosa pode ser transformada. Essa transformação surge da interação dos fótons com determinados elétrons do material semicondutor. Basicamente, esses elétrons estão no nível de valência dos átomos (última camada), porém não estão livres no material de forma a conduzir corrente elétrica. Para isso, deveriam estar no nível energético de condução. Os fótons excitam os elétrons do nível de valência e projetam-nos ao nível

de condução. Para entender melhor, leia o texto 4. O funcionamento básico das células ocorre devido ao chamado efeito fotoelétrico, em que somente determinadas radiações podem excitar os elétrons a ponto de “arrancá-los” dos átomos. Para isso ocorrer existe uma quantidade de energia mínima necessária. Portanto, o “arrancar” de um elétron do átomo independe da intensidade de luz, é dependente apenas da energia de cada fóton. A intensidade de luz pode ser entendida como a quantidade de fótons que se chocam por unidade de tempo com relação à área das células e, portanto, a intensidade de luz determinará a quantidade de elétrons que serão excitados. Grande parte da radiação emitida pelo sol é do tipo infravermelho e luz visível, mas somente fótons a partir do “infravermelho próximo” podem ocasionar o efeito fotoelétrico, já que, por exemplo, o “infravermelho longo” e “ondas de rádio” são caracterizadas por fótons com energia menor.

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2 17

Outras maneiras de manipular energia solar

Reservatório Térmico

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Coletores Solares

O Sol e o ciclo energético na Terra

A estrela (Sol) emite uma quantidade imensa de energia para todo o espaço; desse total, somente uma parcela pequena chega ao nosso planeta. Mesmo assim, a quantidade de energia que chega à Terra é um número absurdamente maior que a capacidade da usina hidroelétrica de Itaipu, que é uma das maiores do mundo em termos de geração de energia. O equilíbrio dinâmico de energia é ilustrado na figura. O lado esquerdo remete ao total da energia luminosa que atinge a Terra (100%); deste total: 29% é refletida diretamente, sendo 22% ao encontrar as primeiras camadas da atmosfera e 7% pela superfície; cerca de 48% do total aquece o solo e objetos na superfície, deste valor, menos de 1% serve para a fotossíntese de algas e

plantas e mais de 46% evapora os oceanos e rios; e 23% deste total são absorvidos pela atmosfera. A própria temperatura faz com que a Terra emita radiação em direção ao espaço, fenômeno que é mostrado no lado direito da figura. O total de radiação emitida pela superfície terrestre é 42% maior que o total de energia que entra na Terra, mas note que uma quantidade de energia igual a que chega (100%) é mantida (refletida) pelo efeito estufa. Do restante que é emitido pela superfície, 30% gera convecção - movimento de massas de ar de diferentes temperaturas - e evaporação novamente; e 12% é transmitido diretamente para o espaço. Por fim, a própria atmosfera emite para o espaço 59% do valor da energia que incide na Terra.

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Se você somar a quantidade que é refletida (dados na esquerda) com a quantidade que sai da Terra (dados na direita), você verificará o equilíbrio dinâmico de energia, pois 22% + 7% + 59% + 12% = 100%. Toda vez que uma planta faz fotossíntese, a energia absorvida pelo Sol é transformada em energia química devi-

do à síntese de moléculas. Os animais que se alimentam das plantas transformam a energia liberada na queima das moléculas em energia mecânica para se deslocar pelo ambiente, por exemplo. Mas quando o animal interage com o meio, devolve a energia até então armazenada. Sum ta acibut publi, se fue horsuame

Portanto, a célula solar do brinquedo absorve a energia da radiação solar, transformando-a em energia elétrica, que, por sua vez, quando aciona equipamentos eletrônicos é transformada em energia mecânica e radiação (calor, luz etc.). Vale lembrar que todo e qualquer processo humano de geração de energia elétrica depende do Sol, direta ou indiretamente. A hidroelétrica depende do ciclo da água – mantido pelo Sol – para ter seus reservatórios cheios; a eólica depende da movimentação de massas de atmosfera, também mantida pelo Sol; a termoelétrica depende da sintetização de moléculas provocadas pela temperatura das camadas terrestres e / ou condições de pressão; e a

termonuclear depende de átomos que se formaram em processos estelares; o que supomos é que todos os átomos terrestres vieram de uma estrela nascida muito antes do Sol. No entanto, o curioso de tudo isso é que esta energia que chega à Terra tanto é absorvida, quanto volta para o espaço. Ocorre neste sistema o que é denominado de equilíbrio dinâmico de energia. Se o Sol sumisse, a Terra devolveria para o Universo toda a energia armazenada e esfriaria abruptamente. Na verdade, esse processo de transformação de energia na Terra está simplificado; para sermos mais precisos, teríamos que fornecer mais detalhes e encontraríamos as características de um ciclo.

Quais são os componentes básicos de uma célula solar?

Até o momento sabemos que a célula solar depende da luz solar para funcionar e que, quanto mais intensa for a luz, mais potente fica o brinquedo. Ou seja, quanto mais fótons atingirem a superfície da célula, melhor. Até o momento sabemos que a célula solar depende da luz solar para funcionar e que, quanto mais intensa for a luz, mais potente fica o brinquedo. Ou seja, quanto mais fótons atingirem a superfície da célula, melhor. Podemos supor, com base na brincadeira proposta, que os elétrons são liberados com a luz e quanto mais in-

tensa for a luz que interage com o material, mais elétrons estarão disponíveis para serem usados pelo brinquedo. Mas como e onde há a liberação do elétron? Basicamente, a célula solar possui, conforme a figura abaixo, camadas de: A) vidro; B) camada antirreflexo; C) rede de contato elétrico; D) semicondutor tipo-N; E) semicondutor tipo-P; F) contato elétrico posterior.

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O vidro protege a estrutura das intempéries climáticas, enquanto a camada antirreflexo é usada porque os componentes semicondutores são refletores de boa parte da luz, e não queremos que a luz saia do material sem interagir, mas seja absorvida pelos elétrons do material. As camadas “c” e “f” são metais que conectam a célula ao circuito elétrico do brinquedo e, então, permitem a existência de corrente elétrica no circuito; sendo que “c” é uma rede metálica, de modo a permitir a entrada de luz até “d”. As células solares utilizam semicondutores que são materiais naturalmente pouco condutores de corrente elétrica, pois possuem poucos (ou nenhum) elétrons em nível de condução. No entanto, quando fazemos uma junção de

materiais semicondutores diferentes, criamos uma barreira na junção, de forma tal que o tipo-P fica com a capacidade de emitir elétrons – para a rede cristalina – e o outro tipo, tipo-N, de recebê-los. Mas os elétrons ainda não estão no nível de condução: aí entra a luz. Quando o material tipo-P absorve a radiação, os seus elétrons do nível de valência são ejetados para a estrutura cristalina (nível de condução), que é a condição necessária para haver corrente elétrica. Mas como isso acontece? A energia proveniente de um fóton é absorvida por um elétron desse material, que se liberta do átomo. Ao fecharmos o circuito, permitimos o fluxo desses elétrons pelo circuito (corrente elétrica) de modo que os elétrons voltem ao semicondutor tipo-P.

O que é luz?

A luz solar chega até à Terra depois de percorrer 150 milhões de quilômetros no vácuo e demorar 8 minutos; para se ter uma ideia, um jato supersônico demoraria 4 anos para percorrer essa mesma distância, equivalente a 3750 voltas em torno da Terra. Luz costuma ser definida como “toda radiação visível”. As cores fazem parte desse grupo, são visíveis, enquanto a luz ultravioleta e o infravermelho não. Os cientistas têm dois termos que caracterizam o que é radiação; sua definição depende com o que ela está interagindo: ora a radiação se parece como uma onda, ora como corpúsculos ou partículas. Por exemplo, quando a radiação ultravioleta interage com os átomos do DNA de nossa pele ou com as células solares do brinquedo, ela se

comporta como composta por partículas sem massa (fótons), porém contendo pacotes de energia. Também podemos dizer que a radiação é uma onda eletromagnética. Para a produção de ondas de rádio ou para entender a interação entre a antena de televisão e a onda enviada pela emissora, precisamos pensar a radiação como uma onda originada por campos magnéticos e elétricos variáveis. No caso de pensarmos em fótons, a cor verde tem um fóton diferente do fóton da cor vermelha; isso significa dizer que a energia de cada um difere. Como onda, a diferença está em outra propriedades como a frequência e o comprimento de onda; por exemplo, a cor verde tem frequência de onda diferente da cor vermelha.

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Uma relação entre a frequência e a cor do fóton pode ser observada na parte superior da ilustração. Para cada fóton associa-se uma frequência diferente, que determina a energia do fóton. Fótons do ultravioleta cuja frequência mínima é 790x1012 Hertz, possuem ao menos 3,3 elétron-volts (eV) de energia. Os fótons da cor amarela (frequência entre 508x1012 e 526x1012 Hz) possuem entre 2,1 eV e 2,2 eV de energia. Esses fótons anteriores podem ativar a célula solar, pois a energia mínima que ativa a célula corresponde a um fóton do infravermelho próximo; sua frequ-

ência está perto de 250x1012 Hz e sua energia perto de 1 eV. A parte inferior da ilustração mostra o efeito da temperatura do material na radiação emitida com mais intensidade. Comparando as duas ilustrações, à medida que aumentamos a temperatura aumentamos a frequência do fóton emitido com mais intensidade, ou seja, a temperatura de uma estrela azulada é maior que a temperatura do Sol, pois o Sol emite com mais intensidade a luz amarela e a outra estrela emite com mais intensidade a luz azul.

Por que o sol emite luz?

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A emissão de luz começa no interior do Sol, onde a temperatura pode atingir até 15 milhões de graus Celsius (375 mil vezes a temperatura mais alta já registrada em Florianópolis). Em sucessivas interações e colisões por causa da altíssima temperatura, átomos de hidrogênio se fundem e esse novo material continua a se chocar com outros elementos até formar o átomo de hélio. Os elementos nucleares do átomo de hélio são muito mais estáveis juntos do que separados como seus componen-

tes iniciais (átomos de hidrogênio); ou seja, é preciso menos energia para que seu núcleo fique coeso - isso ocorre com dois prótons e dois nêutrons. Em outras palavras, esses prótons e nêutrons estão mais estáveis juntos, formando um sistema menos energético, do que se estivessem separados, o que constituiria um sistema mais energético. Por isso, durante a fusão, essa energia em excesso é liberada, na maior parte, sob a forma de energia cinética dos

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produtos; há também emissão, por exemplo, de partículas subatômicas como neutrinos e de fótons de radiação gama ou raio-X. Essa agitação das moléculas no Sol emite fótons de radiação visível e invisível, e os gases da superfície emitem, em sua grande maioria, infravermelho. A ilustração abaixo representa uma

cadeia, dentre várias possíveis, que ocorre na fusão entre átomos de hidrogênio até que se tornem átomos de hélio. Embora não apareça na figura, há liberação de energia neste processo sob a forma de energia cinética do átomo de hélio. Também ocorre a liberação de fótons ou partículas durante o processo.

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Cientificamente Terminologia principal

Energia:

Esse termo isolado não tem uma definição muito clara e deve ser evitado. Porém, sabemos que é uma quantidade ou um valor que sempre se conserva e que vive mudando de “sobrenome” ou “qualificação”; por exemplo, a energia cinética se transformou em energia elétrica; quando atribuímos uma nova qualificação ao termo energia, ele também passa a ter uma nova definição, com características específicas.

Energia cinética: Está relacionada ao movimento de corpos. Depende da massa e da velocidade do corpo. Elétron: Partícula elementar, constituinte do átomo, que possui carga negativa e é responsável pela corrente elétrica em materiais sólidos. Átomos:

vimentar. Tem sua origem na distribuição eletrônica nos níveis energéticos.

Semicondutor:

Material cuja grande parte dos elétrons mais energéticos compõem o nível de valência dos átomos, sendo que poucos estão no nível de condução.

Nível de energia: Termo usado na mecânica quântica que representa o estado de um elemento quântico (como os elétrons), cuja energia pode ser definida. Nível de condução:

Em um átomo, elétrons no nível de condução, são aqueles que podem se mover pela estrutura do material e conduzir corrente elétrica.

Nível de valência: Nível princi-

Vários átomos reunidos formam moléculas. São constituídos por partículas tais como prótons, nêutrons e elétrons. A quantidade de prótons e elétrons em um determinado átomo define a maneira com que ele interage com o resto do Universo. Por exemplo, o átomo de Oxigênio é composto por 8 prótons e 8 elétrons; a distribuição destes últimos nos níveis energéticos pode levar o átomo a atrair outros e fazer novas ligações químicas.

Radiação: Propagação de energia por meio de partículas ou ondas. Existe radiação ionizante (raios X e gama, por exemplo) e não-ionizante (luz e infravermelho, por exemplo).

Condutividade

Fóton:

pal, “mais energético” do átomo, mas ainda abaixo do nível de condução; também conhecido como a última “camada” do átomo no modelo Rutheford-Bohr.

mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes elétrica:

Propriedade intrínseca do material que depende da quantidade de cargas elétricas que estão livres para nele se mo-

Partícula sem massa, mas com quantidade de movimento, conhecida também por ser o “pacote de energia” da radiação.

Intensidade luminosa: Quantidade de fótons de luz que atingem uma superfície por unidade de tempo.

Energia potencial elétrica: Está relacionada à interação de

cargas elétricas. Depende do valor das cargas e da distância entre elas.

Efeito fotoelétrico:

Fenômeno de interação entre elétrons e fótons, em que o elétron absorve a energia do fóton e é ejetado do átomo ou até mesmo do material. Em átomos semicondutores, o efeito fotoelétrico promove os elétrons do nível de valência para o nível de condução.

Radiação solar:

Toda a gama de radiação emitida pelo Sol. De cada 1 kW (mil Watts) desta radiação que atinge a superfície terrestre (por metro quadrado), 527 W correspondem ao infravermelho, 445 W é luz visível e 32 W é ultravioleta.

Reflexão da Luz: Fenômeno em

que a luz é refletida com o mesmo ângulo com que ela incidiu sobre uma superfície.

Transmissão da luz:

Fenômeno em que a luz consegue atravessar um meio ou corpo, ou seja, o corpo consegue transmitir energia em forma de luz.

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