MONTAGEM DE UM DETECTOR DE RADIAÇÃO ALFA POR FAÍSCA
ELÉTRICA PARA O ENSINO
Tiago Dierka – tiagodierk@yahoo.com.br
Universidade Estadual do Centro-Oeste, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências Naturais e Matemática (PPGEN), Guarapuava – PR
Rodrigo Oliveira Bastos – bastosrodrigoo@yahoo.com.br
Universidade Estadual do Centro-Oeste, Departamento de Física, Guarapuava – PR
Resumo: É notória no Brasil a desmotivação de alunos e professores no processo de ensino e aprendizagem de ciências exatas. Dentre os fatores que contribuem para essa desmotivação está a monotonia de aulas que sempre acontecem da mesma forma expositiva utilizando quadro e giz. Experimentos demonstrativos que envolvem conceitos de física moderna atraem olhares e interesses da comunidade em geral, podendo despertar a busca pela justificação dos efeitos apresentados. Estes experimentos são potencialmente úteis nos processos de ensino. Embasado em práticas consolidadas na física de partículas experimental, a detecção de radiação alfa pelo detector de faísca apresenta uma série de características capazes de envolver o aluno no aprendizado. Neste trabalho é feita uma descrição detalhada da montagem do aparato experimental, testes de funcionamento e algumas sugestões de atividades e de práticas possíveis de serem aplicadas por professores.
Palavras-chave: Física nuclear, Detector de faísca, Radiação Alfa, Experimentos Demonstra-tivos.
1 INTRODUÇÃO
A Física, disciplina integrante no currículo nacional do EM (Ensino Médio), ao mesmo tempo que desperta temor pelo preconceito relacionado com as premeditadas dificuldades no entendimento conceitual de sua grade, desperta curiosidade e interesse no entendimento de algumas ocorrências que aparentam não seguir o senso comum. Algumas ocorrências contextualizadas nos tópicos científicos contemporâneos tais como a interpretação da constituição da matéria, a formação do universo e as tentativas da unificação das leis da natureza, atraem olhares questionadores sobre os fundamentos da física e podem desenvolver a análise dos conhecimentos em posse, levando ao aprofundamento para mais coerente entendimento, além de estar em concordância com os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN - BRASIL, 1999, p. 207).
motivacionais, pelo teor dos descobrimentos e desenvolvimentos tecnológicos que provém destas, são vistas como mais um obstáculo sem sentido a ser vencido. Tal visão distorcida pode produzir a desmotivação, que segundo BZUNECK (2001) está diretamente relacionada ao rendimento escolar.
É de geral concordância que práticas experimentais inseridas no ensino podem melhorar o aprendizado, parcialmente pelo despertar dos interesses. Quando acompanhadas de práticas pedagógicas coerentes, práticas experimentais podem promover o desenvolvimento intelectual, atingindo maior número de alunos e auxiliando na aprendizagem significativa, sendo assim uma ferramenta funcional ao profissional do ensino. Laburu (2006) cita que as atividades experimentais podem servir de potencializadores de estímulos capazes de despertar ou manter o interesse dos alunos aos conteúdos abordados.
Sabendo da importância do ensino de física no EM para a sociedade e da relevância da abordagem de conceitos de física nuclear em termos experimentais, considera-se de grande relevância o desenvolvimento de aparatos alternativos para as práticas experimentais de cunho pedagógico. Neste trabalho é proposta a construção de um aparato experimental para a detecção de radiação nuclear.
Trata-se da montagem de um dispositivo detector de radiação alfa por meio de faíscas elétricas para práticas de ensino. Este dispositivo permite a detecção da radiação pelo centelhamento no ar, provocado pela mesma, em uma região de alta tensão elétrica. A prática tem um apelo visual e sonoro, sendo capaz de despertar o interesse pelo efeito, cativando a atenção e induzindo à percepção da necessidade de respostas, necessidade esta que pode conduzir ao aprendizado. Os procedimentos de montagem do aparato são descritos detalhadamente, juntamente com sugestões de algumas possíveis práticas pedagógicas.
2 DETECTOR DE FAÍSCA
A montagem do detector é relativamente simples e pode ser feita através da aquisição de peças de sucatas eletrônicas, como televisores ou monitores em desuso. É composto por duas partes: a fonte de alta tensão e o centelhador. A fonte de alta tensão é composta por um amplificador que tem como entrada a tensão de uma fonte contínua de 10 a 20 volts. Para esta fonte de baixa tensão podem ser utilizadas as fontes que alimentam computadores laptop.
Figura 1 - Foto do detector de faísca pronto para a atividade. A) Fonte de alta tensão. B) Fonte de Am-241 em suporte construído com papelão. C) Centelhador.
A Figura 1 mostra o detector de faísca pronto para a atividade de detecção de radiação , assim com as partes que o compõe.
2.1 Centelhador
O centelhador consiste no aparato detector da radiação alfa, que é basicamente composto por um ou mais fios condutores finos esticados sobre uma placa condutora com distância ajustável entre ambos. Tal aparato foi baseado no modelo apresentado por Gonçalves (1992).
Sugere-se a montagem do centelhador como nas medidas referidas a seguir, já que com estas obteve-se êxito. A placa metálica do centelhador pode ser feita com um retalho de fenolite cobreado, normalmente utilizado na confecção de circuitos eletrônicos. Estas placas de fenolite podem ser facilmente cortadas do tamanho requerido com o auxílio de uma serra para corte de metal.
O fio condutor fino a ser utilizado pode ser extraído de cabos de vídeo VGA (Figura 2), devido a sua pequena espessura (0,05mm) e por não serem esmaltados.
Figura 2 - Cabo VGA desencapado, expondo o fio a ser utilizado.
(Fonte: Autor)
A base do aparato detector pode ser montado com retalhos em MDF (Medium Density Fiberboard), encontrados em qualquer marcenaria, podendo ser montado nos formatos indicados na Figura 3.
Figura 3 - Centelhador montado com a parte móvel. (Fonte: Autor)
A confecção da base do centelhador (Figura 3) foi efetuada com dois retalhos de MDF (15 mm de espessura) de 4,5 por 10 cm, sobre outro de 15 mm de espessura, de 15 por 10 cm, colados em forma de U em uma vista frontal, afim de encaixar outro pedaço de MDF (7 mm de espessura) de 10 por 5,6 cm internamente, permitindo sua movimentação. Sobre este último retalho móvel é colado uma placa de fenolite de 6 por 3,5 cm. Na parte inferior deste retalho são coladas as cabeças de dois parafusos de cabeça chata de 4 mm de diâmetro, munidos de molas e porcas, afim de encaixá-los em furos na placa inferior, permitindo o ajuste da altura entre o fio e a placa de fenolite, apertando ou soltando a porca do parafuso. A Figura 3 ilustra o centelhador montado.
Para fixar o fio condutor são utilizados parafusos (Figura 4). O fio é colado e enrolado nos parafusos. Para obter a tensão mecânica desejada no fio basta apertar o parafuso, que enrolará o fio tencionando-o. Para manter o nivelamento entre o fio e a placa foram utilizados dois retalhos de 10 cm de cantoneira de alumínio, que podem ser adquiridos em vidraçarias ou lojas de perfilados. As cantoneiras são coladas de acordo com as Figuras 3 e 4.
Figura 4 - Fio esticado sobre a placa de fenolite. (Fonte: Autor)
2.2 Amplificador de tensão
O amplificador é um circuito que converte a tensão oriunda de fontes contínuas, como fontes de notebooks ou computadores, em tensões elevadas.
Para esta aplicação, a fontes de alta tensão podem ser montadas de diversas formas desde que produzam a tensão necessária para a ruptura da rigidez dielétrica do ar entre os eletrodos. Para isso podem ser usados os multiplicadores de tensão, flybacks, reatores de lâmpadas fluorescentes, dentre outros. Ou ainda podem ser usadas fontes com as de raquetes mata-moscas elétrico.
A montagem sugerida neste trabalho refere-se à construção de um circuito amplificador utilizando um flyback. Para alimentar o flyback com tensão pulsada foi utilizado um circuito oscilador denominado multivibrador astável, cuja descrição é facilmente encontrada em vários endereços na internet, em BRAGA (2014) ou na Revista Eletrônica Total (Ano 18, N. 123, Mai/Jun-2007). A montagem do multivibrador astável segue o esquema da Figura 5, sendo necessários os seguintes componentes: 2 transistores FN1016, podendo ser substituídos pelos 2N3055, mais facilmente encontrados; 2 capacitores de 10 F a 270 F (foram utilizados de 220 F); 2 resistores de 4,7 k 1 transformador flyback; ferro de solda; fita isolante; fios condutores; e suporte para o circuito.
Figura 5 - Desenho esquemático do circuito multivibrador astático ligado aos enrolamentos primários do flyback.
(Fonte: Adaptado de BRAGA 2014)
Após a ligação dos resistores, transistores e capacitores como no esquema da Figura 5, devem ser feitos dois enrolamentos externos com oito voltas cada no flyback, conforme mostrado na Figura 6.
Figura 6 - Flyback com os enrolamentos primários em fio de cor azul. (Fonte: Autor)
São utilizadas como saída do flyback o cabo superior marrom (originalmente vermelho) e outra saída pelo capacitor interno ligado a outro terminal do secundário, como na Figura 7. Tais saídas são ligadas diretamente ao centelhador, sendo o fio marrom ligado na placa metálica e o cinza no fio fino.
Figura 7 - Ligações dos terminais com o capacitor do flyback para a saída inferior. A) Capacitor interno do flyback. B) Terminal de saída. C) Fio a ser ligado ao fio fino do
centelhador. (Fonte: Autor)
Afim de evitar que os transistores aqueçam demasiadamente pode-se utilizar um cooler para o resfriamento, podendo este ser ligado em paralelo com o circuito multivibrador. Caso os transistores não estejam acompanhados de dissipador é conveniente acoplar um dissipador aos
mesmos. Para maior segurança e durabilidade do circuito é possível encerrá-lo em uma caixa como ilustrado na Figura 8.
Figura 8 - Circuito encerrado em uma caixa de proteção de MDF com um cooler resfriador. (Fonte: Autor)
Após concluída a montagem da fonte de alta tensão, devem ser adaptados conectores utilizados para ligá-la à fonte do laptop (utilizada neste caso com 19 V e 3,42 A), e ao centelhador.
2.3 Fonte radioativa
Alguns detectores de fumaça apresentam uma pequena peça metálica em seu interior com dióxido de amerício. O Amerício (241Am), encontrado nestes detectores, é um elemento
radioativo que sofre decaimento e . Somente os detectores de fumaça do tipo iônico contém tal peça. Em geral, estas fontes possuem atividade menores que 30 kBq. Outros detectores de fumaça, mais comuns no mercado brasileiro, utilizam princípios óticos para seu funcionamento, e não câmaras de ionização.
Os detectores de fumaça do tipo iônico são facilmente encontrados no comércio, em casas de materiais de construção, em sites de venda de produtos de segurança eletrônica e alarmes em geral. Ao adquirir tal detector, observa-se em seu corpo uma cápsula metálica (algumas, mas nem todas, trazem a imagem do trifólio indicando a presença de radioatividade). Dentro desta, está a peça que contém o óxido de amerício, podendo ser extraída facilmente. A Figura 9 mostra a fonte colada em uma estrutura de papelão para facilitar seu manuseio. A cápsula que protege a fonte no interior do detector de fumaça também é mostrada na Figura 9.
Figura 9 - Fonte radioativa (A) colada em uma estrutura de papelão (B), fora da capsula de proteção (C).
(Fonte: Autor)
Em geral, a fonte de amerício, retirada dos detectores de fumaça do tipo iônico, apresenta atividade da mesma ordem de grandeza (104 Bq para o Am-241) da atividade a partir da qual
são necessários adotar procedimentos de proteção radiológica, conforme Posição Regulatória 3.01/001:2011 da CNEN. Como estas fontes podem não obedecer ao critério de exclusão, isenção e dispensa de requisitos de proteção radiológica, ao professor que optar por executar esta atividade e ainda tiver dúvidas quanto a como proceder de forma segura, sugere-se consultar um profissional credenciado pela CNEN no que concerne aos procedimentos requeridos para a devida proteção radiológica. Por mais que apresente baixa atividade, deve-se evitar colocar a mão, ou qualquer parte do corpo, a uma distância menor que 4 cm da frente da fonte. Além disso, sugere-se o uso de luvas de látex durante as atividades para impedir a exposição à radiação alfa proveniente da mesma.
3 TESTE, FUNCIONAMENTO E ATIVIDADES
Muito cuidado deve-se ter ao manusear o centelhador uma vez que este opera com alta tensão. Sugere-se sempre manipular o aparato com a fonte desligada.
Após concluída a montagem do centelhador e do amplificador, a saída amplificada deve ser ligada no centelhador, de modo que a saída negativa seja ligada ao fio, enquanto a positiva à placa do centelhador. Em seguida, o amplificador é ligado na fonte do laptop, que deve ser ligada na tomada. Deverão surgir faíscas entre o fio e a placa. É necessário regular a distância entre eles, utilizando os parafusos e porcas de ajuste, para que as faíscas fiquem na iminência de ocorrer.
Aproxime a fonte de amerício e afaste na sequência para testar a sensibilidade do equipamento. Deverão surgir faíscas quando a fonte de amerício for aproximada a uma distância menor que 4 cm, cessando quando ela é afastada. Ao funcionar corretamente, o detector estará pronto para a prática pedagógica.
Além da demonstração da detecção da radiação nuclear através do detector em sala, é possível a realização de diversas atividades, tais como determinação do tipo de radiação detectada (uma folha de papel entre a fonte e o detector é suficiente para impedir a detecção, indicando que trata-se de partícula alfa), estudo da sensibilidade do detector à variação do ângulo de incidência da radiação, alcance da radiação alfa, e determinação da intensidade de radiação (contagem/segundo).
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O dispositivo apresentado neste trabalho pode ser utilizado em demonstrações de detecção da radiação alfa. Trata-se de um aparato de confecção relativamente simples, e as faíscas geradas na detecção têm apelo visual e sonoro. O dispositivo apresenta também sensibilidade suficiente para práticas pedagógicas de cunho qualitativo e quantitativo.
Nas condições atuais de desmotivação e desinteresse apontadas por diversos professores, atividades que venham a contribuir para a reversão do quadro devem ser consideradas. A proposta apresentada do uso do detector de faísca no ensino tem esta intenção.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1106-multivibrador-astvel> Acesso em: 05 jun. 2016.
BRAGA N. C. Multivibrador Astável com 2 Transistores. Disponível em: <http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/circuitos-simulados/osciladores/5657-ne411> Acesso em: 05 jun. 2016.
BRASIL. Ministério da Educação. Parâmetros curriculares nacionais mais para o ensino médio. Brasília, 2002.
BZUNECK J A.; BORUCHOVITCH, E. A Motivação do Aluno: Contribuições da psicologia contemporânea. Rio de Janeiro: Vozes, 2001. P. 9-31.
GONCALVES, J.A.C.; TOBIAS, C.C.B.; SANTOS, M.D.S. Estudo de um detector de faísca para detecção de partículas alfa. In: 4o. CONGRESSO GERAL DE ENERGIA NUCLEAR, 5-9 de julho, 1992, Rio de Janeiro, RJ. p. 615-618.
LABURÚ, C E. Fundamentos para um experimento cativante. Caderno Brasileiro de Ensino de Física. v.23, n.3: p. 382- 404. Florianópolis, 2006.
ASSEMBLY OF AN ALPHA RADIATION SPARK DETECTOR FOR
TEACHING
Abstract: It is notorious in Brazil the low motivation of students and teachers in the teaching learning process of exact sciences. Among several factors contributing to this fact is the mo-notony of lessons that always happen in the same explanatory way with chalk and board. Demonstrative experiments involving modern physics concepts attract looks and interests of the community in general, and may awaken the search for justification of the effects presented. These experiments are potentially useful in educational processes. Grounded in well estab-lished practices of experimental particle physics, the detection of alpha radiation by the spark detector has a number of features able to engage students in learning. In this article is presented a detailed description of how to assembly a spark detector for alpha radiation detection to be used in instructive demonstrations. It is also described some functional tests and suggestions of activities and practices possible to be accomplished by physics teachers.
