AMPLIANDO O CONCEITO DO CAMPO MAGNÉTICO PARA O AMBIENTE GALÁCTICO: UMA PROPOSTA PARA A SALA DE AULA

## AMPLIANDO O CONCEITO DO CAMPO MAGNÉTICO PARA O AMBIENTE GALÁCTICO: UMA PROPOSTA PARA A SALA DE AULA

## J. S. de Oliveira 1 , T. A. de Almeida 2 , I. R. da Fonseca 3

- 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro, jaime.oliveira@ifrj.edu.br
- 2 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro, tiagoaa0306@gmail.com

3 Universidade Federal Fluminense, igorrf@id.uff.br

Palavras-chave : Campo magnético galáctico; Simulação computacional; Raios cósmicos.

## Resumo expandido

Desde os tempos antigos, a humanidade tem verdadeiro fascínio pelos fenômenos celestes. O céu noturno, com sua infinidade de estrelas brilhantes, sempre atraiu olhos atentos, tornando o estudo da astronomia um dos ramos pioneiros da pesquisa científica. Fato é que os assuntos relacionados ao espaço sideral já fazem parte da cultura moderna: filmes de ficção científica, divulgação de notícias sobre exploração espacial, como a descoberta de exoplanetas, por exemplo, ilustram o interesse ativo da comunidade científica em explorar tais temas e dos cidadãos comuns em aprender sobre eles (PIASSI, 2013; LONGHINI, 2014).

- O crescente acesso e divulgação de notícias que remetem ao ambiente espacial estão cada vez mais presentes também nas salas de aula, exercendo pressão sobre os professores no sentido de estarem bem preparados para discutirem temas relacionados de forma apropriada, muitos deles ausentes nas matrizes dos cursos de formação de professores da área (OSTERMANN e MOREIRA, 2000; DELIZOICOV et al., 2002).

Nesse contexto, surgiu a ideia de explorar um conteúdo já bem estabelecido nos currículos escolares: o campo magnético. A proposta é ampliar sua aplicação para o cenário galáctico como resultado das pesquisas realizadas em grandes colaborações internacionais. Muitas dessas pesquisas investigam partículas subatômicas carregadas que viajam pelo espaço e atingem o nosso planeta, denominadas raios cósmicos de altíssima energia (DE SOUZA et al., 2013; AAB et al., 2020). Raios cósmicos de altíssima energia são considerados as partículas mais energéticas do universo e têm sido intensivamente estudados desde os primórdios das pesquisas em Física de Partículas, antes mesmo da construção dos atuais aceleradores de partículas (GRIFFITHS, 2013).

Diferentemente dos livros-texto, que fazem aplicações dos efeitos magnéticos na presença de ímãs e fios que transportam corrente elétrica, a presente proposta é destacar que esses efeitos extrapolam os domínios terrestres, estando também presentes no ambiente galáctico e extragaláctico. Assim, os campos magnéticos gerados no espaço são capazes de causar deflexões nas trajetórias de partículas

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19 a 30 de julho de 2021 - Online

subatômicas carregadas à medida que se deslocam entre as fontes astrofísicas que as produzem até alcançarem o nosso planeta.

A tarefa de levar essas discussões que envolvem assuntos mais sofisticados associados a conteúdos já bem consolidados nos currículos de Física das escolas de Ensino Médio é um verdadeiro desafio. Talvez o mais destacado obstáculo seja o de como contornar as dificuldades associadas ao aparato matemático necessário para se compreender os parâmetros envolvidos no fenômeno estudado, sem perder de vista a essência das leis físicas básicas relacionadas (PIETROCOLA, 2002). Além disso, há questões relacionadas a uma adequação do conteúdo para o público-alvo selecionado, seguindo uma série de processos em que esse conhecimento é transformado até chegar ao ambiente escolar (MENEZES et al., 2008).

Nesse cenário, as simulações computacionais que modelam esses fenômenos apresentam um considerável potencial didático (MEDEIROS e MEDEIROS, 2002; HEIDEMANN et al., 2012). Seja pelo controle das variáveis envolvidas na evolução do estudo realizado, seja pela facilidade de visualização dos impactos causados pela mudança dessas variáveis, as simulações permitem ao professor abordar situações nas quais a experimentação não pode ser realizada no ambiente escolar. Assim, a experimentação deixa de ser conduzida devido à periculosidade dos materiais envolvidos, ou ainda pela falta de equipamentos necessários para se observar certos fenômenos em pequena ou larga escala (ARAUJO e VEIT, 2004).

Desse modo, foi elaborado um código computacional, originalmente escrito na Linguagem C++, o qual modela analiticamente a trajetória de partículas subatômicas que entram nos limites da Via-Láctea submetidas à ação do campo magnético (STANEV, 1997; STANEV, 2010). O referido código simula as posições que essas partículas ocupam à medida que se deslocam no interior da Via-Láctea até alcançarem o nosso sistema solar. A partir desses dados simulados, é possível reconstruir as trajetórias e visualizar os efeitos causados pela carga elétrica das partículas, a energia com que essas partículas entram na nossa galáxia, dentre outros parâmetros, favorecendo o entendimento de quais variáveis estão associadas à ação do campo magnético galáctico.

No desenvolvimento inicial dessa proposta, a interface do usuário era originalmente o código fonte utilizado em C++. Porém, com o objetivo de facilitar o acesso ao controle dos parâmetros utilizados na simulação, foi empregada como interface a Linguagem Java, que permite criar janelas tais como aquelas utilizadas em sistemas operacionais amplamente difundidos.

À esquerda da Figura 01 é exibida a interface do usuário no sistema operacional Windows, na qual é possível inserir a energia da partícula e o tipo de núcleo considerado antes do início da simulação. Os alunos poderão, então, investigar como a escolha desses parâmetros refletirá na trajetória reconstruída, que é mostrada à direita da mesma figura. Partículas mais energéticas tendem a produzir trajetórias menos defletidas, ao passo que núcleos com maior número atômico sofrem mais ação do campo magnético galáctico e, portanto, produzem trajetórias mais erráticas à medida que se propagam no interior da Via-Láctea, extrapolando a correlação entre as grandezas envolvidas no magnetismo para o ambiente galáctico.

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Figura 01: À esquerda: interface do usuário no sistema operacional Windows na qual é possível inserir a energia do raio cósmico e o tipo de núcleo considerado. À direita: exemplo da trajetória de um próton que entra na fronteira da Via-Láctea com uma dada energia. O ponto verde identifica a posição onde o próton adentra em nossa galáxia, ao passo que o ponto azul representa a posição do sistema solar. Elaborado pelos autores.

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Atualmente, visando tornar ainda mais acessível o material elaborado, está em desenvolvimento uma interface na forma de um aplicativo Android, podendo ser executado na maioria dos smartphones e tablets existentes. A facilidade de executar simulações diretamente no celular visa contornar um outro obstáculo notadamente presente em muitas escolas brasileiras: a falta de um laboratório de informática operacional. Uma vez que é possível executar o aplicativo diretamente nos dispositivos Android, toda a estratégia de ensino associada pode ser realizada dentro da sala de aula, ou até mesmo na residência dos estudantes, de forma remota.

## Referências

AAB, A. et al. Search for magnetically-induced signatures in the arrival directions of ultra-high-energy cosmic rays measured at the Pierre Auger Observatory . Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, v. 2020, n. 06, p. 017, 2020.

ARAUJO, I. S.; VEIT, E. A. Uma revisão da literatura sobre estudos relativos a tecnologias computacionais no ensino de Física . Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências, v. 4, n. 3, 2004.

DE SOUZA, V. et al. Cosmic rays in the classroom . Physics Education, v. 48, n. 2, p. 238, 2013.

DELIZOICOV, D.; ANGOTTI, J. A. P.; PERNAMBUCO, M. M. Ensino de ciências:

Fundamentos e Métodos . 4. ed. São Paulo: Editora Cortez, 2002.

GRIFFITHS, D. Introduction to elementary particles . John Wiley &amp; Sons, 2020.

HEIDEMANN, L. A.; ARAUJO, I. S.; VEIT, E. A. Ciclos de modelagem: uma proposta para integrar atividades baseadas em simulações computacionais e

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atividades experimentais no ensino de física . Caderno brasileiro de ensino de física. Florianópolis. Vol. 29, p. 965-1007, 2012.

LEITE, C.; HOSOUME, Y. A espacialidade no processo de ensino-aprendizagem de Astronomia. EDUCAÇÃO EM ASTRONOMIA Experiências e contribuições para a prática pedagógica . 1a ed. Campinas: Editora Átomo, p. 143-158, 2010.

LONGHINI, M. D. (org.). Ensino de astronomia na escola: concepções, ideias e práticas . Campinas: Átomo, 2014.

MEDEIROS, A.; MEDEIROS, C. F. Possibilidades e limitações das simulações computacionais no ensino da Física . Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 24, n. 2, p. 77-86, 2002.

MENEZES, J. E. U.; SILVA, R. D. S. D. U.; QUEIROZ, S. M. U. A transposição didática em Chevallard: as deformações/transformações sofridas pelo conceito de função em sala de aula . In Congresso Nacional de Educação, vol. 8, p. 11911201, 2008.

OSTERMANN, F.; MOREIRA, M. A. Uma revisão bibliográfica sobre a área de pesquisa 'Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio' . Investigações em ensino de ciências, v. 5, n. 1, p. 23-48, 2000.

PIASSI, L. P. Clássicos do cinema nas aulas de ciências - a física em 2001: uma odisseia no espaço . Ciência &amp; Educação (Bauru), Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, v. 19, n. 3, 2013.

PIETROCOLA, M. A matemática como estruturante do conhecimento físico . Caderno brasileiro de ensino de física, v. 19, n. 1, p. 93-114, 2002.

STANEV, T. Ultra-high-energy cosmic rays and the large-scale structure of the galactic magnetic field . The Astrophysical Journal, IOP Publishing, v. 479, n. 1, p. 290, 1997.

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