O trem de levitação magnética supercondutora

## O TREM DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA SUPERCONDUTORA

## Anderson da Silva Cunha 1 , Marcos Binderly Gaspar , Deise Miranda Vianna 2 3

- 1 Instituto de Física/Universidade Federal do Rio de Janeiro, cunha\_ufrj@yahoo.com.br
- 2 Instituto de Física/Universidade Federal do Rio de Janeiro, mgaspar@if.ufrj.br
- 3 Instituto de Física/Universidade Federal do Rio de Janeiro, deisemv@if.ufrj.br

## Resumo

Propomos a introdução de um tópico de Física Moderna no ensino regular trabalhando com atividades de investigação com enfoque CTS. O tema trabalhado é a levitação magnética supercondutora (MAGLEV - Magnetic levitation transport). O fenômeno da supercondutividade é um conhecimento de difícil acesso para o aluno do ensino médio, pois para obter o entendimento quantitativo do fenômeno é necessário o estudo da mecânica quântica. No entanto, o efeito da supercondutividade apresenta um fenômeno macroscópico que é usado em trens de levitação magnética, chamado de Efeito Meissner, em homenagem a um dos seus descobridores. A metodologia utilizada será através de um conjunto de atividades que levará o aluno desde o entendimento dos impactos ambientais e sociais que essa tecnologia proporciona até a compreensão da Física envolvida na levitação. Para tanto, será utilizado como instrumento de aprendizado: textos, vídeos, experimentos de baixo custo e debates em grupos. Ressaltando que durante toda etapa do trabalho, o aluno ganhará o papel de protagonista do seu processo de ensino-aprendizagem e o professor trabalhará como auxiliador do mesmo.

Palavras-chave : CTS, Supercondutividade.

## Introdução

Um dos grandes desafios atuais que o Ensino de Física enfrenta, segundo Martins (2009), é a inserção da Física Moderna no ensino regular. Contudo, isso é estranho, já que quase toda tecnologia que rodeia o aluno contemporâneo possui por base a Física Moderna. O estudante está em contato constante com smartphones, pen drives, notebooks e, muitas das vezes, o ensino que ele recebe da escola não lhe dá bases para compreender seu funcionamento, tão pouco para discutir os impactos que tais tecnologias trazem para a sociedade e para o meio ambiente. Esse cenário nos convida a fazer algumas reflexões: De fato, é relevante ensinar essa Física contemporânea no ensino médio?; Não seria atraente ensinar Física Moderna ligando-a com seus impactos causados na sociedade e na natureza?; Essa Física pode ser considerada como cultura para o estudante atual?

Introduzir a ciência moderna no ensino médio é mostrar para o aluno uma Física que influencia diretamente seu cotidiano. Uma Física aplicada que interfere diretamente no nosso modo de viver e agir em sociedade.

Mesmo não sendo tarefa fácil dizer o porquê desta dificuldade de inserção em uma sociedade onde esta Física está tão presente no dia-a-dia dos alunos, esse

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23 a 27 de janeiro de 2017

trabalho é centrado nesta tentativa. O seu objetivo principal é o entendimento da Física qualitativa contida no trem que se movimenta com base na levitação supercondutora e seus impactos no meio social e ambiental. Contudo, para chegar a tal compreensão, o aluno precisará adquirir outros conhecimentos que lhe servirão como base para alcançar o objetivo central.

A levitação supercondutora é baseada num fenômeno chamado Efeito Meissner, descoberto em 1933 por Walter Meissner e Robert Ochsenfeld [OSTERMANN, 2005]. Quando o material se encontra no estado supercondutor, ele possui resistência nula, logo, quando um campo magnético externo tenta penetrar em seu interior, surge uma corrente elétrica (formada por pares de Cooper) que induzirá um campo magnético idêntico ao externo, só que em sentido oposto, impedindo a sua penetração no interior do material. Nessas condições, o supercondutor se comporta como um material diamagnético perfeito, com a diferença da dependência da temperatura.

Então, para que o aluno do ensino regular possa compreender toda essa dinâmica, o desenvolvimento do trabalho foi dividido em quatro etapas. Na primeira etapa, o aluno discutirá os pontos mais relevantes que o transporte em massa possui na sociedade e seus impactos no meio ambiente comparando com outros. A percepção dos conhecimentos físicos necessários para o entendimento do Efeito Meissner será tratada da segunda etapa. A terceira etapa é dedicada a compreensão da Lei Ampère, Lei de Faraday e Lei de Lenz, onde estão as bases para compreender a Física qualitativa em questão. Para tanto, usaremos como estratégia de aprendizado, atividades investigativas com enfoque CTS. A quarta etapa é a aplicação da atividade que trabalha diretamente com o Efeito Meissner.

## Descrição do trabalho desenvolvido

## Primeira etapa - Contextualizando o transporte convencional

Essa primeira etapa é dedicada à discussão sobre as vantagens e desvantagens que o transporte tradicional possui na sociedade e seus impactos no meio ambiente. Além disso, é nesse momento que a conexão ciência-sociedade começa a ser feita em sala de aula.

No caso, o professor divide a turma em grupos de no máximo seis alunos e distribui três textos (Anexo) que possuem caráter reflexivo sobre alguns pontos importantes. A atividade consiste na discussão desses textos e nas respostas a um pequeno questionário. Enquanto ocorre a discussão de hipóteses, o professor deve ficar circulando pelos grupos os estimulando a refletirem sobre suas próprias ações.

Esses textos discutem as diversas consequências que o transporte convencional causa no meio ambiente e social e mostra as vantagens que o transporte em massa movido com a tecnologia supercondutora possui.

## Segunda etapa - A Física do MAGLEV

Na etapa anterior, foram expostas as características mais relevantes que o transporte em massa possui no nosso sistema social. Agora, a atenção deve ser voltada para o trem de levitação magnética (MAGLEV).

Para que os alunos possam perceber as vantagens que o MAGLEV possui perante os outros meios de transporte, o professor coloca o seguinte vídeo da internet (fig. 1):

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Fonte: http://g1.globo.com/jornal-nacional/noticia/2016/03/ufrj-desenvolve-trem-de-levitacaomagnetica.html

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Figura 01: Vídeo que apresenta as vantagens do MAGLEV

Com isso, o professor deve discutir com a turma os pontos mais importantes de ambas as fontes, ressaltando a Física necessária para poder entender a causa da levitação.

## Terceira etapa - Apreendendo os fundamentos necessários

Sabendo das vantagens que o MAGLEV possui sobre os meios de transportes tradicionais, basta entender a Física qualitativa presente na levitação supercondutora. Então, essa etapa é dedicada exclusivamente na compreensão dos fundamentos físicos necessários para tal finalidade.

Primeiramente, o aluno terá uma atividade de investigação que trabalha com a Lei de Ampère, onde ele mesmo mapeará as linhas de campo magnético formado por um fio condutor por onde passará uma corrente elétrica contínua.

O material utilizado está exposto na Tabela 01 abaixo:

Tabela 01: Materiais utilizados no experimento da Lei de Ampère

Cada grupo receberá o kit exposto na Figura 02. Como é uma atividade de investigação, o aluno deve ser o protagonista do seu processo de ensinoaprendizagem, descobrindo com o professor no papel de auxiliador desse processo.

A atividade consiste basicamente no mapeamento do campo magnético formado pela corrente elétrica que passa pelo fio condutor. Para fazer o mapeamento, o aluno colocará a bússola nas vizinhanças do fio de cobre e marcará as extremidades da agulha da bússola com um lápis. Em seguida, translada-se a bússola para a marcação superior feita pelo lápis e faz-se uma nova marcação. Isso deve ocorrer várias vezes até a circunferência se formar.

Feito o mapeamento, o professor convida o grupo a fazer uma dobra no fio de cobre formando uma espira. Então, pede-se que se faça um novo mapeamento, usando o mesmo método empregado anteriormente. Vale ressaltar, que se o professor desejar, pode-se pedir que façam mais espiras.

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Por fim, o professor coloca a turma em forma de 'U' (para uma maior interação entre os alunos) e pergunta o que eles entenderam da atividade. É nesse momento que começa a compreensão das ações tomadas. O professor deve estar atento para saber levar a discussão fazendo-os tomar consciência sobre suas próprias tomadas de decisões. E, com isso, ao longo da discussão das ideias apresentadas pelos alunos e pelos questionamentos levantados pelo professor espera-se que o conceito de indução magnética por um fio condutor seja construído e, assim, compreendido pela turma.

Figura 02: Kit experimental da Lei de Ampère

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Com a compreensão da Lei de Ampère, a atenção será voltada para a Lei de Faraday e para a Lei de Lenz. Assim como na atividade anterior, essa é uma atividade de investigação, logo o aluno possui o papel principal na observação do fenômeno. Para a aplicação desta atividade, os materiais necessários estão na Tabela 02.

Tabela 02: Materiais utilizados no experimento da Lei de Faraday e Lei de Lenz

A atividade consiste em resolver o seguinte enigma: "É possível ter corrente elétrica em um fio condutor sem usar uma fonte de tensão convencional? Como?".

Para tanto, o aluno terá a sua disposição um kit experimental voltado para esse propósito (fig. 03). Inicialmente, o professor pergunta a turma se ocorrerá alguma mudança no sistema se transpassar o centro das espiras de cobre com um pedaço de madeira (isolante). Com a resposta dos alunos, o professor realiza a ação. Em seguida, volta a fazer o mesmo questionamento, no entanto, agora com seis imãs de neodímio em sequência. É provável que os alunos afirmem que a bobina irá se deslocar por haver atração magnética, já que a bobina é feita de um metal, porém, o professor deve mostrar que o cobre não é atraído pelo imã. Com isso, o professor realiza a ação para os alunos observarem o efeito.

Agora que os alunos testemunharam o fenômeno apresentado pelo professor, eles são convidados a compreender o efeito utilizando a réplica do

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experimento que estará a sua disposição. Além disso, o professor propõem o seguinte desafio: 'De que maneira deve-se usar os imãs para fazer o sistema girar 360°?'. Como antes, o professor vai auxiliá-los fazendo questionamentos que os levem a refletirem sobre suas próprias ações.

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Figura 03: Lei de Faraday e Lei de Lenz

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Por fim, inicia a etapa principal deste trabalho: a visualização e o entendimento da levitação magnética por supercondução. Para que o aluno possa compreender com clareza o Efeito Meissner, ele precisa ter aproveitado o máximo as atividades anteriores, pois são bases indispensáveis.

O efeito de levitação será visualizado utilizando o trilho magnético. O trilho é constituído com 36 imãs de neodímio fixados em uma plataforma de baixo custo e cada barra do trilho magnético possui três imãs na configuração NSN (fig. 4).

Figura 04: Trilho magnético

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Note que existe um espaçamento considerável entre as barras que compõem o trilho magnético. Isso é um problema, pois no vão entre os trilhos haverá um buraco magnético, que pode comprometer o deslocamento do supercondutor. Para minimizar esse problema, basta colocar pedaços menores de imãs de neodímio. Com isso, resfria-se o material cerâmico (YBCO) utilizando nitrogênio líquido (-196°C) até entrar no estado supercondutor. Então, coloca-se sobre o trilho magnético e observa-se o efeito.

Ressaltando que o nitrogênio líquido foi comprado pelo site da indústria White Martins e o supercondutor pela internet. ∗

O professor apresenta o fenômeno para a turma, como uma atividade de demonstração investigativa. Com isso, inicia-se a investigação sobre a causa da levitação através de questionamentos que o professor deve lançar para estimular a reflexão nos alunos. Segue alguns exemplos de perguntas que podem ser feitas: ' O

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que está ocorrendo com o material cerâmico'?; 'Quais são as grandezas Físicas presentes no experimento? '; 'O que existe entre os imãs e o material cerâmico?'; 'O que pode estar ocorrendo dentro do material cerâmico?'; 'Utilizando o conhecimento aprendido anteriormente, podemos resolver esse mistério? Como?' .

É muito provável que não haja consenso entre os alunos. Então, o professor divide a turma em grupos de pessoas que comungam da mesma opinião e inicia-se um debate, com o professor ocupando o papel de mediador do mesmo. Durante o debate, os alunos que ficarem convencidos com uma determinada hipótese apresentada por alguém de outro grupo, deve fazer a migração. No fim, espera-se que exista somente um único grupo com a conclusão da causa do Efeito Meissner.

## Considerações finais

Esse trabalho visa o aprendizado de um fenômeno que para muitos alunos está escondido em uma espécie de 'caixa preta' e que é basicamente inacessível para o aluno do ensino regular, logo, seu propósito principal é mostrar que é possível ensinar a Física Moderna no ensino médio, fazendo do aluno um cidadão que não só compreende o fenômeno que ocorre na levitação, mas que seja crítico na sua utilização na sociedade contemporânea.

Lembrando que este trabalho será aplicado em uma instituição de ensino pertencente ao Estado do Rio de Janeiro em uma turma do último ano do ensino regular (período diurno) e uma análise mais minuciosa desta aplicação será feito em trabalhos de futuros.

## Referências

MARTINS, André Ferreira P. (Org.). Física ainda é cultura? 1 ed. São Paulo, 2009. Cap. 1

OSTERMANN, F., Pureur, P., Supercondutividade, (Editora Livraria da Física, São Paulo, 2005).

## Anexo

Abaixo, segue os textos referentes a primeira etapa do trabalho, na qual, possui como objetivo central a contextualização do transporte cotidiano.

## Texto 1

## Poluição veicular: um problema global e local

Em todo o mundo, as megacidades com mais de 10 milhões de habitantes enfrentam sérios problemas causados pela poluição veicular. Ao contrário do que se poderia supor, a poluição não é mais grave nos países mais ricos e desenvolvidos. Atualmente, grandes metrópoles como Paris, Nova York, Londres e Tóquio são menos poluídas do que muitas cidades de países em desenvolvimento, como a Cidade do México, Buenos Aires e São Paulo. Nesse ranking, os países pobres levam desvantagem, pois carecem de investimentos em transporte coletivo e outras medidas capazes de melhorar a qualidade do ar.

No Brasil, os paulistanos são os que mais sofrem com a poluição do ar. São Paulo tem sido apontada como a quinta cidade mais poluída do planeta. Em 2003, segundo dados da Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (Cetesb), órgão responsável pelo monitoramento da qualidade do ar no Estado, a região metropolitana possuía uma frota de 7,5 milhões de veículos e cerca de 2 mil

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indústrias. Estima-se que essas fontes de poluição são responsáveis pelas emissões para a atmosfera de: 1,8 milhões de t/ano de CO, 415mil t/ano de HC, 409 mil t/ano de NOx, 67 mil t/ano de MP e 37 mil t/ano de SOx. Desses totais, os veículos são responsáveis por 98% das emissões de CO, 97% de HC, 97% de NOx, 52% de MP e 55% de SOx. Da frota que circula na região metropolitana de São Paulo, 5,8% dos veículos são movidos a óleo diesel (cerca de 400 mil veículos, entre ônibus, caminhões e caminhonetes) e despejam anualmente 12,4 mil toneladas de fumaça preta na atmosfera, colocando em risco o meio ambiente e a saúde da população.

## Fonte : http://portal.mec.gov.br/dmdocuments/publicacao8.pdf (acesso em 01/10/2016)

Perguntas referentes ao texto 1:

I - Você contribui de alguma maneira para a redução da poluição do ar? (Se sua resposta for 'sim': Como? ) (Se sua resposta for 'não': Por quê? ).

II - De que maneira a poluição do ar afeta o seu dia-a-dia?

## Texto 2

## Uma opção de transporte

Com o objetivo de incentivar a população a utilizar transportes alternativos em detrimento a veículos, uma boa prática ambiental que contribui para desafogar o trânsito, os servidores da Secretaria de Estado do Ambiente (SEA) e do Instituto Estadual do Ambiente (Inea) se mobilizaram e fizeram suas selfies registrando de que forma chegaram ao trabalho neste dia.

Os registros fotográficos foram feitos na última quinta-feira (22/09), data de atenção ao Dia Mundial Sem Carro. As imagens estarão reunidas em um mural que será montado na entrada da sede da Sea/Inea, na Avenida Venezuela, no Centro do Rio.

- A servidora do Inea, a advogada Fernanda Pietro utiliza um ônibus e o Veículo Leve sobre Trilhos (VLT) para se deslocar do município de Petrópolis, onde mora, até a sede do Inea, no Centro do Rio.
- Já a servidora Lohanna Costa, moradora de Bonsucesso, costuma se deslocar para o trabalho utilizando o transporte ferroviário, ramal de Gramacho.

Mesmo os servidores que precisam utilizar o carro, fizeram desta quinta feira (22/09) um dia diferente, deixando o automóvel na garagem e aderindo à campanha pelo uso do transporte alternativos. Os servidores participaram ainda de um passeio ciclístico que contou com a presença do Secretário de estado do Ambiente André Corrêa, o Presidente do Inea, Marcus Lima e demais diretores e gerentes.

- O ponto de partida foi na sede do Inea, no Centro do Rio, de onde saíram pedalando em 20 triciclos individuais e de família, cedidos pelo Instituto Caminhos da Terra, com destino ao Museu do Amanhã, passando pelo Boulevard Olímpico, onde foi lançado o 2º Inventário de Emissões Veiculares da Região Metropolitana do Rio de Janeiro, com destaque para a redução de até 90% das emissões atmosféricas contempladas no 1º inventário publicado em 2004.

## Fonte: http://www.inea.rj.gov.br/Portal/Noticias/INEA0127231&amp;lang=#ad-image-0 (acesso em 01/10/2016)

Perguntas referentes ao texto 2:

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- III - Qual atividade podemos propor aos nossos amigos, para proporcionar a redução da poluição do ar no nosso bairro? (A resposta deve ser a mesma para todos os membros do grupo!).
- IV - Na sua família, que medidas podem ser tomadas para contribuir com a proposta mencionada no item anterior?

## Texto 3

## Uma decisão estratégica

A necessidade de transporte público eficiente, não poluidor e com custos de implantação e manutenção competitivos faz parte das prioridades do mundo moderno, onde uma grande parte da população concentra-se em metrópoles.

Cidades que dispõem de uma extensa malha de metrôs subterrâneos são consideradas como modelos de solução. No entanto, o custo de implantação destas vias encontra-se na faixa de100 a 300 milhões de reais por km, dependendo do tipo de solo.

- É na busca de uma solução que contemple questões operacionais de manutenção e implantação, além de custos, que surge a Tecnologia MagLev Cobra.
- A tecnologia MagLev cobra é a proposta de um veículo urbano de levitação magnética com articulações múltiplas, que lhe permite efetuar curvas com raios de 50 metros, vencer aclives de até 15% e operar em vias elevadas ou ao nível do solo a uma velocidade aproximada de 70km/h.
- O custo de implantação desta revolucionária tecnologia é da ordem de 1/3 do necessário para um metrô.
- O sistema MagLev Cobra vale-se das propriedades diamagnéticas dos supercondutores de elevada temperatura crítica Y-Ba-Cu-O e do campo magnético produzido por ímãs de Nd-Fe-B para obter a levitação.

Estes materiais só foram produzidos a partir do final do século passado e ainda não existe no mundo nenhum veículo que use esta tecnologia.

Isso significa, em outras palavras, que o Brasil está na vanguarda tecnológica, o que nos permitirá galgar um importante degrau no crescimento científico aplicado, uma verdadeira revolução com inúmeros desdobramentos.

A tração é obtida através da ação de um motor linear, tecnologia que também abre novas expectativas para o parque industrial brasileiro.

Sendo movido pela energia elétrica, cuja produção no Brasil é predominantemente de origem hidráulica, o sistema MagLev Cobra opera sem nenhuma emissão de gases poluentes.

Por não depender de atrito mecânico, o sistema MagLev Cobra, além de menor consumo energético, não produz poluição, podendo harmonizar-se com a arquitetura das cidades em vias elevadas, apresentando uma imagem futurista dos locais onde for instalado.

Fonte: http://www.maglevcobra.coppe.ufrj.br/veiculo.html (acesso em 01/10/2016)

Responda a seguinte pergunta:

V - O que mais chamou a sua atenção no trem supercondutor?

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