ILUMINANDO OS CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO COM O SIRIUS, A NOVA FONTE DE LUZ SÍNCROTRON BRASILEIRA

## ILUMINANDO OS CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO COM O SIRIUS, A NOVA FONTE DE LUZ SÍNCROTRON BRASILEIRA

Marcello Madeira 1 , Lohane Martins 2 , Ana Luíza Ramos 3 , Renan Rebeque 4 , Carlos Eduardo Souza 5 , Vitor Acioly 6

- 1 Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense, lmarcello@id.uff.br
- 2 Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense, lohane\_bsm@id.uff.br
- 3 CE Matemático Joaquim Gomes De Sousa - Inter-Cultural Brasil-China, analuizaramos289@gmail.com
- 4 CE Matemático Joaquim Gomes De Sousa - Inter-Cultural Brasil-China, renanrebeque@gmail.com
- 5 Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense, carloseduardosouza@id.uff.br
- 6 Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense, vitoracioly@id.uff.br

## Resumo

No atual contexto, observa-se que na educação básica o ensino de eletromagnetismo não é devidamente contextualizado, simplesmente pela dificuldade de correlacionar esse conteúdo à realidade do estudante. Esse assunto muitas vezes acaba sendo transmitido de forma negligenciada, pois é apresentado seguido de regras mecanizadas ou com a necessidade de conhecimentos prévios matemáticos, sem abordar como esses conceitos são relevantes para a tecnologia e a sociedade. Assim, esse trabalho possui a finalidade de desmistificar novas formas de abordar esse conteúdo para o aluno ao seguir as competências da Base Nacional Comum Curricular, sendo assim, com a física por trás do funcionamento do acelerador de partículas, o Sirius. A explicação dos conceitos de eletromagnetismo gira em torno do controle do movimento do feixe de elétrons, do seu ponto inicial (do canhão de elétrons), até o direcionamento da radiação síncrotron para as linhas de luz. Destaca-se o que faz o Sirius ser um acelerador de partículas de quarta geração. Além de realizar essa contextualização, também será de grande importância o papel de divulgação da ciência nacional para os estudantes da educação básica. Ademais, serão apresentados os benefícios das pesquisas realizadas no acelerador, pelos laboratórios que integram o Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais, que podem trazer benefícios para a sociedade. Dessa maneira, este trabalho pretende contribuir para a promoção de uma alfabetização científica acerca deste assunto de eletromagnetismo, que se faz presente no cotidiano do estudante.

Palavras-chave : Eletromagnetismo, Ensino de Física, Sirius

## Introdução

A falta de motivação, interesse e contextualização, além da desconexão com a realidade dos alunos, são alguns dos grandes problemas no ensino de física (Moreira, 2021). Para enfrentar esses desafios, muitos professores buscam desenvolver aulas mais contextualizadas, utilizando equipamentos modernos e centros tecnológicos avançados. Essa abordagem visa tornar o ensino de física mais relevante e envolvente para os estudantes, aproximando os conceitos teóricos de suas aplicações práticas na vida cotidiana. No entanto, ao observar o ensino de Ciências aplicado em sala de aula, nos livros didáticos e nos materiais educacionais do Ensino Médio, fica evidente a

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desconexão com os avanços científicos e tecnológicos (Rezende, 2004). Essa desconexão é notável, por exemplo, no caso do eletromagnetismo, esses avanços possibilitaram o desenvolvimento de meios de comunicação mais rápidos, como a internet.

- O principal objetivo deste trabalho é desenvolver uma contextualização que promova o diálogo entre o estudo de eletromagnetismo, presente nos currículos da educação básica, e as pesquisas e tecnologias aplicadas no acelerador de partículas Sirius. A intenção é tornar as aulas mais significativas, mostrando aos estudantes como os conceitos de eletromagnetismo estão diretamente ligados às aplicações reais da ciência brasileira. Além disso, como objetivo secundário, o trabalho visa levar para a sala de aula informações que valorizem a ciência nacional, destacando a contribuição de pesquisadores brasileiros no desenvolvimento de tecnologias de alta complexidade, como o Sirius, e incentivando o interesse dos estudantes pela ciência e pela inovação produzida em seu próprio país.

A metodologia utilizada foi a coleta de dados dos sites oficiais da Base Nacional Comum Curricular (BNCC) e das pesquisas realizadas no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), incluindo seus quatro laboratórios nacionais: o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), o Laboratório Nacional de Biociências (LNBio), o Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) e o Laboratório Nacional de Biorrenováveis LNBR), ( com o objetivo de encontrar as conexões entre os conteúdos de eletromagnetismo e as pesquisas nacionais relacionadas à fonte de luz síncrotron.

## Sobre o Sirius e seu funcionamento

- O Sirius é um acelerador de elétrons e fonte de luz síncrotron de quarta geração, abrigado em um prédio de 68 mil m², localizado na cidade de Campinas, no interior de São Paulo, e opera em uma faixa de energia de 3 GeV. O LNLS, responsável pela operação desse acelerador, integra o CNPEM, uma organização social sem fins lucrativos, supervisionada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI). Além disso, há outros três laboratórios nacionais que também fazem parte do CNPEM: o LNBio, o LNNano e o LNBR. Somado a isso, há um novo projeto em desenvolvimento no CNPEM, conectado ao Sirius, o Projeto Orion.

Esse acelerador de partículas funciona como um grande microscópio onde é possível 'enxergar' a amostra no nível dos seus átomos e moléculas. O Sirius é uma fonte de luz síncrotron que possui espaço para 38 potenciais linhas de luz, onde são realizadas diversas pesquisas que contribuem para a sociedade, seja na produção de novos fármacos, seja nas novas fontes de energia renovável ou até mesmo na construção de novos materiais, garantindo a presença do Brasil na fronteira do desenvolvimento científico e tecnológico (Acioly e Santos, 2024). Uma das principais pesquisas realizadas nessa nova fonte de luz síncrotron foi a partir de um mapeamento feito pela linha de luz Manacá - da estrutura de uma proteína presente no vírus da Covid-19. O resultado dessa pesquisa contribuiu para o progresso na busca por uma vacina para o Sars-CoV-2. Futuramente, quando o novo projeto de nível máximo de biossegurança (Projeto Orion) estiver em operação, será possível a compreensão dos fenômenos biológicos relacionados ao desenvolvimento de doenças, e poderá guiar o desenvolvimento de futuros métodos de diagnóstico, vacinas e tratamentos.

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No funcionamento do Sirius, os elétrons são acelerados e emitem uma radiação eletromagnética chamada de radiação síncrotron. Essas partículas quando estão em uma velocidade muito abaixo da velocidade da luz, a radiação é emitida de maneira isotrópica, ou seja, é igualmente distribuída em todas as direções. No entanto, quando aceleradas a uma velocidade relativística, essa radiação é concentrada em um determinado ponto específico.

No início do processo, a partícula é ejetada do canhão de elétrons para o acelerador linear, o LINAC, onde é acelerada. O acelerador linear contém estruturas aceleradoras, ou seja possui um campo elétrico que fica alternando entre positivo e negativo, sempre com o objetivo de acelerar essa partícula. Há também ímãs chamados quadrupolos, cuja finalidade é focalizar as partículas aumentando a sua intensidade e direcionando-as para o Booster.

No Booster, a partícula é acelerada continuamente a cada volta, alcançando uma velocidade próxima à da luz. Esse aumento de energia se dá pelas cavidades de Radiofrequência (RF), nessas cavidades o campo elétrico é alternado, com objetivo de acelerar o elétron. Com o aumento da velocidade, os campos magnéticos gerados pelos ímãs dipolos precisam aumentar, para que o feixe de elétrons se mantenha na mesma órbita.

Após atingir uma velocidade relativística, a partícula é ejetada para o anel de armazenamento, onde pode permanecer por um longo período de tempo. Nesse anel de armazenamento, há ímãs dipolos que possuem tem como objetivo mudar a direção do feixe, também há ímãs quadrupolos e sextupolos, cuja finalidade é a focalização e colimação do feixe de elétrons. Além disso, há cavidades RF com o propósito de aumentar a velocidade do feixe, o que é necessário, pois, a cada vez que o feixe é defletido, ele perde energia. Antes de serem defletidos, o feixe de elétrons passa pelos dipolos alternados, com a finalidade de que esses elétrons emitam a luz síncrotron. Diferentemente do feixe de elétrons, a luz síncrotron não será defletida.

Dessa maneira, a luz síncrotron se dirige para a linha de luz, na qual será realizada a pesquisa. Após ser entregue pelo anel de armazenamento, a luz síncrotron é colimada e posteriormente será selecionado o nível de radiação que deverá ser trabalhado. No monocromador a luz será separada em diferentes tipos de comprimento de onda, haja vista que a luz síncrotron possui diferentes tipos de radiação, que vai do Infravermelho até o Raio X. Assim, a radiação escolhida chega à amostra, ao funcionar como um microscópio, o Sirius é capaz de realizar imagens no nível dos átomos e moléculas.

O Sirius é qualificado para exercer diversas pesquisas simultaneamente (Acioly e Santos, 2024). Quando comparado com o UVX, o antigo acelerador do CNPEM, que era uma fonte de luz síncrotron de segunda geração, se mostrou mais eficiente, pois em questões de segundos gera uma imagem que o anterior demorava cerca de 40 minutos.

## Eletromagnetismo no Sirius para a Educação Básica

A dificuldade enfrentada pelos estudantes da educação básica sobre o conteúdo de eletromagnetismo se dá muito pela ausência de contextualização da temática (Ricardo, 2010), o que problematiza o ensino de física.

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De acordo com Paz (2007):

Dentre os conteúdos de Física que apresentam um grau maior de dificuldade de aprendizagem, comparado aos demais, está o Eletromagnetismo. Os professores, de modo geral, declaram que os estudantes expressam dificuldades na aprendizagem dos fenômenos, leis e conceitos que o envolvem. (2007, p.17).

Percebe-se que muitos professores relatam que os estudantes não apenas têm dificuldade com o conteúdo, mas também com a forma de ensino. Abordagens que se concentram facilmente em teoria e fórmulas, sem um suporte adequado de experimentação ou simulação, podem criar uma lacuna entre o que é ensinado e a aplicação prática. O ensino de física requer uma metodologia que vá além da memorização de leis, promovendo uma compreensão conceitual sólida.

Desta maneira, urge a necessidade de novas abordagens sobre esses conceitos, como por exemplo o comportamento do feixe de elétrons por trás do Sirius. Sendo assim, o que faz o Sirius ser o único acelerador síncrotron de quarta geração, em toda a América Latina, é o maior controle da intensidade do feixe de elétrons. Aproximando os conteúdos curriculares da ciência presente no Sirius, percebe-se logo dois exemplos de aplicação: 1) O campo elétrico é responsável pela aceleração dos elétrons até atingir uma velocidade relativística; 2) Campos magnéticos gerados por ímãs, contribuem para o controle do movimento dos elétrons.

Os ímãs do acelerador possuem o papel de alterar a direção dos elétrons, mantê-los na mesma órbita e proporcionar oscilações na trajetória, fazendo-os emitir radiação. Os ímãs dipolos (Figura 1) do acelerador são responsáveis pela mudança de direção do feixe de elétrons, já os ímãs quadrupolos (Figura 2) são responsáveis pela focalização desse feixe de elétrons. Os ímãs sextupolos (Figura 3) tem como seu principal objetivo corrigir ,'aberrações cromáticas' (Silva, 2023), as partículas que estão fora da órbita esperada. Os dispositivos de inserção (Figura 4) desempenham papéis importantes na produção de radiação síncrotron, pois são compostos por um conjunto de dipolos com polaridade alternada, estes dispositivos proporcionam oscilações na trajetória de elétrons, fazendo-os emitir radiação para as linhas de luz do Sirius.

Figura 01: Ímãs Dipolos

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Figura 02: Ímãs Quadrupolos

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Figura 03: Ímãs Sextupolos Figura 04: Dispositivo de Inserção

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Ao analisar as exigências da BNCC (Brasil, 2018), é possível fazer uma contextualização sobre o funcionamento desses ímãs para os alunos da educação básica. Por exemplo, pode-se diferenciar entre os ímãs naturais, como a magnetita, e ímãs artificiais, fabricados através de processos industriais presentes nesse acelerador. A contextualização das propriedades magnéticas, como por exemplo a inseparabilidade dos polos (Figura 5), pode ser correlacionada aos diferentes tipos de ímãs: dipolos, quadrupolos e sextupolos. Além disso, a construção dos quadrupolos, sextupolos e os dispositivos de inserção, com base no princípio de que polos semelhantes se repelem, enquanto polos opostos se atraem.

Figura 05: Inseparabilidade dos ímãs

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As linhas de campo criadas pelos ímãs e o comportamento do feixe de elétrons quando submetido ao campo magnético no dipolos, quadrupolos, sextupolos e os dispositivos de inserção e assim, abordando a direção e o sentido da força magnética. A força magnética sobre uma partícula carregada em movimento em um campo magnético pode ser descrita pela Lei de Lorentz. A fórmula para a força magnética (Fm) em módulo é dada por:

## Fm = q.v.B sen(θ)

A força magnética atua perpendicularmente tanto à velocidade da partícula quanto ao campo magnético. A direção é determinada pela regra da mão esquerda (Figura 6). O dedo indicador esquerdo está no sentido do campo, o dedo do meio esquerdo está no sentido da velocidade e o polegar estará no sentido da força magnética, isso é válido apenas para partículas positivas, já para cargas negativas ,como as que são presentes nesse acelerador, o sentido da força magnética é o oposto. Com essa grande capacidade do controle do feixe de elétrons o brilho da radiação síncrotron se torna mais intenso, desta maneira pode-se concluir o porquê do Sirius ser um acelerador de quarta geração.

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Além disso, a força magnética estará perpendicular ao vetor velocidade e ao campo magnético (Figura 6). Quando uma partícula carregada move-se perpendicularmente a um campo magnético, experimenta uma força magnética que atua como resultante centrípeta, dessa maneira a partícula descreve um movimento circular.

Figura 06: Trajetória das partículas submetidas a um campo magnético

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A BNCC (Brasil, 2018) presume que no Ensino Médio para a área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias como terceira competência específica o seguinte:

Investigar situações-problema e avaliar aplicações do conhecimento científico e tecnológico e suas implicações no mundo, utilizando procedimentos e linguagens próprios das Ciências da Natureza, para propor soluções que considerem demandas locais, regionais e/ou globais, e comunicar suas descobertas e conclusões a públicos variados, em diversos contextos e por meio de diferentes mídias e tecnologias digitais de informação e comunicação (TDIC).(Brasil, 2018, p.553)

A BNCC ressalta a capacidade do aluno de criticar e comparar todas as tecnologias advindas da modernidade e do avanço científico propondo a sua utilização de forma a valorizar sempre a vida humana e os ambientes naturais. Sendo assim, é importante destacar a necessidade de apresentar para o estudante outras finalidades que os ímãs possam ter; diferentes das usuais apresentadas em sala de aula e que podem contribuir para a tecnologia e a sociedade.

## Discussões e Considerações Finais

As habilidades da BNCC que envolvem o eletromagnetismo no ensino médio estão descritas entre aquelas que correspondem às competências específicas 1, 2 e 3 de Ciência da Natureza e suas Tecnologias. Essas competências incluem as habilidades, 101, 104, 105, 106, 107, a habilidade 206 e as habilidades 306, 307, 308, 309 e 310.

Quadro 01: Habilidades que envolvem eletromagnetismo presentes na BNCC

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Elas preveem a compreensão dos fenômenos físicos e suas interações para a análise de problemas tecnológicos e socioambientais, buscando soluções inovadoras e sustentáveis (Brasil, 2018).

Segundo, a competência específica 1, Matéria e Energia, da BNCC (Brasil, 2018):

Analisar fenômenos naturais e processos tecnológicos, com base nas interações e relações entre matéria e energia, para propor ações individuais e coletivas que aperfeiçoem processos produtivos, minimizem impactos socioambientais e melhorem as condições de vida em âmbito local, regional e global. (Brasil, 2018, p.553)

A competência específica 1 destaca a importância de compreender fenômenos físicos e suas aplicações. A menção ao acelerador de quarta geração simboliza o avanço científico do Brasil em pesquisas na fronteira do conhecimento, evidenciando como essas inovações podem gerar benefícios não apenas para a ciência e a tecnologia, mas também para a sociedade como um todo.

A integração desses avanços científicos no currículo da educação básica é essencial para que os alunos desenvolvam um pensamento crítico e reflexivo. Dessa forma, ao compreenderem a relevância dos conceitos como o eletromagnetismo, eles podem responder à pergunta "por que devo estudar?" com uma visão clara de como esse conhecimento pode ser aplicado para enfrentar desafios reais e contribuir para o progresso social e ambiental.

Incorporar essas discussões no ensino básico prepara os estudantes para serem cidadãos mais informados e conscientes, capazes de compreender e participar ativamente nas questões científicas e tecnológicas que moldam o mundo.

## Referências

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