Trem de levitação magnética - Maglev.
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<h1>Justificativa</h1> | <h1>Justificativa</h1> | ||
| − | <p>Um tema que tem gerado muita discussão em todo país, | + | <p>Um tema que tem gerado muita discussão em todo país é a mobilidade urbana. Deste modo, sempre entram em pauta questões como: quais meios de transporte são mais eficientes? Que tipo de novas tecnologias estão sendo desenvolvidas nessa área? Quais os possíveis impactos que podem acarretar ambiental e socialmente? etc.. |
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| − | + | O MAGLEV, trem de levitação magnética, é uma das opções que vem sendo estudada e discutida por diversos países pelo mundo, inclusive no Brasil, onde há um projeto em desenvolvimento no Laboratório de Aplicações de Supercondutores - LASUP da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), em parceria com outras instituições. | |
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| + | O projeto brasileiro, denominado MAGLEV Cobra, se baseia em levitação, movendo-se sem atrito com o solo através de um motor linear de primário curto. Utiliza a tecnologia dos supercondutores, entretanto, existem outros modelos que usam eletroímãs.</p> | ||
<p> </p> | <p> </p> | ||
<h1>Objetivos</h1> | <h1>Objetivos</h1> | ||
| − | <p> | + | <p>Discutir assuntos relacionados ao eletromagnetismo e a física moderna, abordando temas como política pública, meio ambiente, transportes e eficiência energética.</p> |
<h1>Plano de Aula</h1> | <h1>Plano de Aula</h1> | ||
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<td style="width:30%;"><b>Unidade:</b></td> | <td style="width:30%;"><b>Unidade:</b></td> | ||
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<td style="width:30%;"><b>Número de aulas:</b></td> | <td style="width:30%;"><b>Número de aulas:</b></td> | ||
| − | <td colspan="2">4 aulas de 45 minutos</td> | + | <td colspan="2"> 4 aulas de 45 minutos</td> |
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| − | + | <p> Apresentar conceitos como: campos de força, linhas de campo, ímãs permanentes e eletroímãs, força magnética, materiais ferromagnéticos, paramagnéticos e diamagnéticos;</p> | |
| − | <p> | + | <p> Apresentar alguns usos práticos de ímãs e eletroímãs no cotidiano;</p> |
| − | <p> | + | <p> Apresentar e discutir sobre supercondutores, e o projeto que o Brasil vem desenvolvendo utilizando tal tecnologia;</p> |
| − | <p> | + | <p> Discutir sobre os possíveis impactos sociais e ambientais acarretados pela nova tecnologia, o MAGLEV;</p> |
| − | <p> | + | <p> Discutir sobre eficiência energética (opcional);</p> |
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| − | <p>Eletromagnetismo;</p> | + | <p> Eletromagnetismo;</p> |
| − | <p>Física moderna;</p> | + | <p> Física moderna (Supercondutores);</p> |
| − | <p>Produção de tecnologias no Brasil.</p> | + | <p> Produção de tecnologias no Brasil (MAGLEV Cobra).</p> |
| − | + | <p> Eficiência energética (opcional).</p> | |
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| − | <td> aula 1 | + | <td> aula 1 – Propriedades eletromagnéticas. </td> |
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| − | <td>aula 4- | + | <td>aula 4 - Projeto brasileiro (prós e contras).</td> |
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| − | <h1 style="margin-top:30px;"> | + | <h1 style="margin-top:30px;">'''Conteúdos complementares às aulas (textos, vídeos):'''</h1> |
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| − | < | + | <p>Vídeo ilustrativo sobre materiais diamagnéticos.</p> |
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| − | < | + | <h1 style="margin-top:30px;">Aula 2 - Supercondutores </h1> |
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| − | + | Após atingir uma temperatura crítica, que para o YBCO é da ordem de 92k (-181ºC), acontece nesse material (que é um tipo de cerâmica), um efeito chamado de Meissner, onde o condutor passa a ejetar todo o campo magnético externo que lhe for aplicado. Esse fenômeno não se resume apenas na ejeção do campo magnético por parte do supercondutor, pois na verdade o campo externo tende a penetrar o supercondutor, mas apenas até certa profundidade definida por um parâmetro λ, denominado parâmetro de penetração de London, decaindo exponencialmente a zero na maior parte do material supercondutor. O efeito Meissner é uma característica primordial da supercondutividade, e para a maioria dos supercondutores λ é da ordem de 100 nm. Muitas vezes o feito Meissner é erroneamente confundido com um tipo de diamagnetismo perfeito. Mas de acordo com a lei de Lenz quando promovemos uma mudança no campo magnético aplicado ao condutor e esse induz a criação de uma corrente elétrica que se opõe ao campo magnético. Em um condutor perfeito, uma corrente arbitrariamente grande pode ser induzida enquanto o campo resultante cancelaria o campo aplicado. O efeito Meissner é de fato distinto, pois se observa a expulsão espontânea e abrupta do campo magnético interno que ocorre na transição supercondutora quando o material é resfriado abaixo da sua temperatura crítica, o que não seria de se esperar com base na lei de Lenz. | |
| + | <p>Veja o vídeo abaixo.</p> | ||
| + | {{#ev:youtube|CeOzgNuAQOI|290|center}} | ||
| − | < | + | <h1 style="margin-top:30px;"> Aula 3 - O MAGLEV </h1> |
| − | < | + | <p>No sistema de trens de levitação, o atrito direto entre as rodas e os trilhos não existe, pois a repulsão magnética entre o trem e os trilhos faz com que não haja contato direto. De maneira simplificada, o trem de levitação – também chamado de MAGLEV – trata-se de um trem estruturalmente idêntico aos que cortam cidades sobre trilhos transportando carga agropecuária ou de passageiros ou até mesmo materiais industrializados. Apesar da baixa porcentagem deste último no Brasil, contudo, no trem de levitação, as rodas e trilhos foram substituídos por materiais cujo princípio básico é o magnetismo. |
| − | < | + | Os estudos de transportes ferroviários empregando levitação remontam mais de meio século. A série de congressos MAGLEV, cuja primeira edição ocorreu nos anos 60, reúne, a cada dois anos, os principais especialistas neste campo. |
| + | As técnicas de levitação magnética, devido à intensidade da força que produzem, podem ser empregadas em sistema de transporte de alta e média velocidade e podem ser subdivididos em três grupos, descritos abaixo:</p> | ||
| + | <p>-LEVITAÇÃO ELETRODINÂMICA</p> | ||
| + | <p>-LEVITAÇÃO ELETROMAGNÉTICA</p> | ||
| + | <p>-LEVITAÇÃO MAGNÉTICA SUPERCONDUTORA</p> | ||
| − | < | + | <li>Como funciona a Levitação Eletrodinâmica (EDL)? |
| − | + | <p>Neste sistema, um trem com características convencionais (rodas e trilhos) viaja ao longo de corredores onde estão instaladas bobinas condutoras. Após atingir cerca de 120 km/h, o trem começa a levitar. </p> | |
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| + | <li>Como funciona a levitação eletromagnética (EML)? | ||
| + | <p>Trata-se do sistema mais antigo de levitação magnética, baseada em eletroímãs instalados no veículo, exigindo um sofisticado sistema de controle, pois se trata de um sistema instável. Na Alemanha, iniciou-se um projeto desse tipo na década de 70, sendo concluída em 1976 a primeira linha de teste de 1,3 km. O fundamento físico básico, nesta aplicação, explora a força de atração que existe entre um eletroímã e um material ferromagnético. A estabilização, neste caso, só é possível com uma malha de realimentação e regulador devidamente sintonizado.</p> | ||
| − | < | + | <li>Como é a levitação magnética supercondutora? |
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| − | </ | + | <p>Este tipo de levitação baseia-se na propriedade diamagnética dos supercondutores para exclusão do campo magnético do interior dos supercondutores [Moon, 1994]. No caso dos supercondutores do tipo II, esta exclusão é parcial, o que diminui a força de levitação, mas conduz a estabilidade da levitação, dispensando sistemas de controle sofisticados ou rodas. Esta propriedade que representa o grande diferencial em relação aos métodos EDL e EML, só pode ser devidamente explorado a partir do final do século XX com o advento de novos materiais magnéticos e pastilhas supercondutoras de alta temperatura crítica, como o YBa2Cu3OX (YBCO).</p> |
| − | <h1 style="margin-top:30px;">Aula 4 - | + | <h1 style="margin-top:30px;">Aula 4 - Projeto brasileiro (prós e contras)</h1> |
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| − | + | <li> Mobilidade/custo | |
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| − | < | + | <p>O MAGLEV cobra é um projeto desenvolvido pela UFRJ com o objetivo de levar para as grandes cidades um transporte mais eficaz e econômico. Comparado com os metrôs do Rio e São Paulo, o preço para a implantação do MAGLEV seria ⅓ menor, além disso, a velocidade de ambos é a mesma, variando entre 70 Km/h a 100 Km/h. Porém, a tecnologia do MAGLEV é muito cara em relação a outros meios de transportes ferroviários. </p> |
| − | <li> | + | |
| − | + | <p> '''''Abaixo uma reportagem para entender melhor sobre o MAGLEV cobra:'''''</P> | |
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| + | {{#ev:youtube|8Qi6DvC9sEw|290|center}} | ||
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| + | <li>Economia de Energia no Transporte | ||
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| + | <p> | ||
| + | Atualmente, no transporte público, os veículos sobre pneus representam mais de 95% do transporte de passageiros realizado no Brasil (ANTP, 2006). Como se trata de combustíveis diferentes, uma comparação econômica, que leva em conta a diferença de rendimento energético das duas modalidades, pode ser realizada, considerando R$ 0,30/kWh para o custo da eletricidade e R$ 1,90/litro do óleo diesel [Oliveira & Orrico Filho, 2004]. | ||
Edição atual tal como 23h34min de 29 de outubro de 2013
Tabela de conteúdo |
Justificativa
Um tema que tem gerado muita discussão em todo país é a mobilidade urbana. Deste modo, sempre entram em pauta questões como: quais meios de transporte são mais eficientes? Que tipo de novas tecnologias estão sendo desenvolvidas nessa área? Quais os possíveis impactos que podem acarretar ambiental e socialmente? etc.. O MAGLEV, trem de levitação magnética, é uma das opções que vem sendo estudada e discutida por diversos países pelo mundo, inclusive no Brasil, onde há um projeto em desenvolvimento no Laboratório de Aplicações de Supercondutores - LASUP da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), em parceria com outras instituições. O projeto brasileiro, denominado MAGLEV Cobra, se baseia em levitação, movendo-se sem atrito com o solo através de um motor linear de primário curto. Utiliza a tecnologia dos supercondutores, entretanto, existem outros modelos que usam eletroímãs.
Objetivos
Discutir assuntos relacionados ao eletromagnetismo e a física moderna, abordando temas como política pública, meio ambiente, transportes e eficiência energética.
Plano de Aula
Disciplina: Física
Série: 3a do Ensino Médio
Professores: Eliana, Luiz Marcelo, Patrick e Toni
| Unidade: | MAGLEV - Trem de Levitação Magnética | |
| Número de aulas: | 4 aulas de 45 minutos | |
| Objetivos específicos: |
Apresentar conceitos como: campos de força, linhas de campo, ímãs permanentes e eletroímãs, força magnética, materiais ferromagnéticos, paramagnéticos e diamagnéticos; Apresentar alguns usos práticos de ímãs e eletroímãs no cotidiano; Apresentar e discutir sobre supercondutores, e o projeto que o Brasil vem desenvolvendo utilizando tal tecnologia; Discutir sobre os possíveis impactos sociais e ambientais acarretados pela nova tecnologia, o MAGLEV; Discutir sobre eficiência energética (opcional); |
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| Conteúdos: |
Eletromagnetismo; Física moderna (Supercondutores); Produção de tecnologias no Brasil (MAGLEV Cobra). Eficiência energética (opcional). |
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| Desenvolvimento metodológico: | ||
| aula 1 – Propriedades eletromagnéticas. | 45 min | |
| aula 2 – Supercondutores. | 45 min | |
| aula 3 – O MAGLEV Cobra. | 45 min | |
| aula 4 - Projeto brasileiro (prós e contras). | 45 min | |
Conteúdos complementares às aulas (textos, vídeos):
Aula 1 - Propriedades eletromagnéticas.
Vídeo ilustrativo sobre materiais diamagnéticos.
Aula 2 - Supercondutores
Após atingir uma temperatura crítica, que para o YBCO é da ordem de 92k (-181ºC), acontece nesse material (que é um tipo de cerâmica), um efeito chamado de Meissner, onde o condutor passa a ejetar todo o campo magnético externo que lhe for aplicado. Esse fenômeno não se resume apenas na ejeção do campo magnético por parte do supercondutor, pois na verdade o campo externo tende a penetrar o supercondutor, mas apenas até certa profundidade definida por um parâmetro λ, denominado parâmetro de penetração de London, decaindo exponencialmente a zero na maior parte do material supercondutor. O efeito Meissner é uma característica primordial da supercondutividade, e para a maioria dos supercondutores λ é da ordem de 100 nm. Muitas vezes o feito Meissner é erroneamente confundido com um tipo de diamagnetismo perfeito. Mas de acordo com a lei de Lenz quando promovemos uma mudança no campo magnético aplicado ao condutor e esse induz a criação de uma corrente elétrica que se opõe ao campo magnético. Em um condutor perfeito, uma corrente arbitrariamente grande pode ser induzida enquanto o campo resultante cancelaria o campo aplicado. O efeito Meissner é de fato distinto, pois se observa a expulsão espontânea e abrupta do campo magnético interno que ocorre na transição supercondutora quando o material é resfriado abaixo da sua temperatura crítica, o que não seria de se esperar com base na lei de Lenz.
Veja o vídeo abaixo.
Aula 3 - O MAGLEV
No sistema de trens de levitação, o atrito direto entre as rodas e os trilhos não existe, pois a repulsão magnética entre o trem e os trilhos faz com que não haja contato direto. De maneira simplificada, o trem de levitação – também chamado de MAGLEV – trata-se de um trem estruturalmente idêntico aos que cortam cidades sobre trilhos transportando carga agropecuária ou de passageiros ou até mesmo materiais industrializados. Apesar da baixa porcentagem deste último no Brasil, contudo, no trem de levitação, as rodas e trilhos foram substituídos por materiais cujo princípio básico é o magnetismo. Os estudos de transportes ferroviários empregando levitação remontam mais de meio século. A série de congressos MAGLEV, cuja primeira edição ocorreu nos anos 60, reúne, a cada dois anos, os principais especialistas neste campo. As técnicas de levitação magnética, devido à intensidade da força que produzem, podem ser empregadas em sistema de transporte de alta e média velocidade e podem ser subdivididos em três grupos, descritos abaixo:
-LEVITAÇÃO ELETRODINÂMICA
-LEVITAÇÃO ELETROMAGNÉTICA
-LEVITAÇÃO MAGNÉTICA SUPERCONDUTORA
Neste sistema, um trem com características convencionais (rodas e trilhos) viaja ao longo de corredores onde estão instaladas bobinas condutoras. Após atingir cerca de 120 km/h, o trem começa a levitar.
Trata-se do sistema mais antigo de levitação magnética, baseada em eletroímãs instalados no veículo, exigindo um sofisticado sistema de controle, pois se trata de um sistema instável. Na Alemanha, iniciou-se um projeto desse tipo na década de 70, sendo concluída em 1976 a primeira linha de teste de 1,3 km. O fundamento físico básico, nesta aplicação, explora a força de atração que existe entre um eletroímã e um material ferromagnético. A estabilização, neste caso, só é possível com uma malha de realimentação e regulador devidamente sintonizado.
Este tipo de levitação baseia-se na propriedade diamagnética dos supercondutores para exclusão do campo magnético do interior dos supercondutores [Moon, 1994]. No caso dos supercondutores do tipo II, esta exclusão é parcial, o que diminui a força de levitação, mas conduz a estabilidade da levitação, dispensando sistemas de controle sofisticados ou rodas. Esta propriedade que representa o grande diferencial em relação aos métodos EDL e EML, só pode ser devidamente explorado a partir do final do século XX com o advento de novos materiais magnéticos e pastilhas supercondutoras de alta temperatura crítica, como o YBa2Cu3OX (YBCO).
Aula 4 - Projeto brasileiro (prós e contras)
O MAGLEV cobra é um projeto desenvolvido pela UFRJ com o objetivo de levar para as grandes cidades um transporte mais eficaz e econômico. Comparado com os metrôs do Rio e São Paulo, o preço para a implantação do MAGLEV seria ⅓ menor, além disso, a velocidade de ambos é a mesma, variando entre 70 Km/h a 100 Km/h. Porém, a tecnologia do MAGLEV é muito cara em relação a outros meios de transportes ferroviários.
Abaixo uma reportagem para entender melhor sobre o MAGLEV cobra:
Atualmente, no transporte público, os veículos sobre pneus representam mais de 95% do transporte de passageiros realizado no Brasil (ANTP, 2006). Como se trata de combustíveis diferentes, uma comparação econômica, que leva em conta a diferença de rendimento energético das duas modalidades, pode ser realizada, considerando R$ 0,30/kWh para o custo da eletricidade e R$ 1,90/litro do óleo diesel [Oliveira & Orrico Filho, 2004].
