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sexta-feira, 8 de agosto de 2008
Desde a sua descoberta em 1911, o fenômeno da supercondutividade tem sido um dos temas mais interessantes em física.
Pela primeira vez o efeito da supercondutividade foi identificado pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) usando o mercúrio, o qual perdeu toda a resistência ao fluxo dos elétrons quando a temperatura baixou aos 4,0 graus Kelvin (ou -269 graus Celsius) , a temperatura em que o gás hélio se liquefaz. (Ver “Supercondutividade: quase 100 anos”)
A pesquisa de Onnes o tornou vencedor do Prêmio Nobel em 1913.
A questão principal é que ainda ninguém sabia explicar como isso podia acontecer.
Em 1933, os pesquisadores alemães Walter Meissner (1882-1974) and Robert Ochsenfeld (1901-1993) descobriram que um material na fase supercondutora repele o campo magnético!
Comportamento muito estranho, pois o funcionamento do motor elétrico e do gerador elétrico está fundamentado no fenômeno da indução magnética, efeito identificado pelo inglês Michael Faraday (1791-1867) em 1831: um ímã em movimento induz corrente elétrica em um circuito de material condutor.
O que acontece é que o campo magnético produzido pelo ímã é repelido pela corrente elétrica induzida no material supercondutor!
O material na fase supercondutora se comporta como um espelho magnético, refletindo o campo magnético produzido pelo ímã.
Esse efeito de repulsão magnética – batizado de Efeito Meissner – é tão intenso que o ímã levita sobre o material que está superconduzindo.
Outro desenvolvimento muito importante foi realizado em 1962, por Brian David Josephson – nascido em 1940 no País de Gales – com a previsão teórica de que a corrente elétrica pode fluir entre dois supercondutores, mesmo quando os mesmos estão separados por um material isolante (feito um sanduiche).
Depois que a sua previsão foi confirmada pelas experiências, Josephson dividiu o Prêmio Nobel de 1973 com o japonês Leon Isaki e com o.
Esse é o Efeito Josephson que tem sido aplicado em dispositivos eletrônicos como o SQUID, detetor de campo magnético de altíssima sensibilidade.
A supercondutividade causou perplexidade em algumas das melhores mentes do século XX até ser finalmente compreendida a partir do comportamento microscópico, em 1957, com a contribuição marcante dos vencedores do Prêmio Nobel de 1972, os físicos estadunidenses John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer, que desenvolveram a teoria clássica batizada por teoria BCS, as iniciais dos respectivos sobrenomes, para descrever o fenômeno da supercondutividade nos metais, ou materiais condutores de corrente elétrica.
Desde o início da década de 1960 tem havido muitas aplicações da supercondutividade incluindo grandes ímãs para obter imagens na medicina e para a física de alta energia, cavidades de rádio-frequência e componentes para uma variedade de aplicações, além de dispositivos de interferência quântica para magnetômetros sensíveis e circuitos digitais.
Em 1986, um sonho de muitos pesquisadores foi realizado com a descoberta dos compostos cerâmicos contendo camadas de cobre-oxigênio – o óxido de metal de transição BaLaCuO (bário-lantânio-cobre-oxigênio) – que superconduzem corrente elétrica com temperatura de 35 graus Kelvin.
A revolucionária descoberta da supercondutividade nesta classe de compostos foi o resultado da pesquisa de Johannes Georg Bednorz e Karl Alex Mueller, pesquisadores do Laboratório da IBM na Suíça, e por isso também venceram o Prêmio Nobel em 1987.
O que surpreende é que essas cerâmicas são isolantes elétricos em temperatura ambiente, mas quando são resfriadas até temperaturas muito baixas se comportam como supercondutores.
Isso implica que a teoria BCS não está mais conseguindo dar conta da supercondutividade apresentadas por esses novos materias, por isso está aberto o caminho para que quiser tentar explicar como a supercondutividade acontece nas cerâmicas, por exemplo.
Atualmente já existem outros materiais e as pesquisas continuam com o objetivo de conseguir o fenômeno supercondutor em temperatura ambiente.
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terça-feira, 8 de julho de 2008
No final do século XVIII, os químicos haviam identificado muitas substâncias, principalmente no estado gasoso, e os estudos de Lavoisier e Proust indicavam que essas substâncias eram constiuídas por pequenas partículas que definiam a característica química de cada uma delas.
Estava faltando arrumar as interpretações sobre essas partículas que resultavam das pesquisas daquela época.
Fundamentado na lei das proporções fixas desenvolvida por Proust, o químico inglês John Dalton (1766-1844) propôs, em 1803, um modelo atômico ao estabeler que:
1- cada elemento é constituído de um número de átomos, todos com a mesma massa fixa;
2- Elementos diferentes são identificados por serem constituídos por átomos com massas diferentes;
3- Os compostos são formados pela união de pequena quantidade de átomos na forma de moléculas (do latim: pequena massa);
É importante observar que as pesquisas posteriores sobre a estrutura da matéria, comprovaram que essas propostas não estão corretas.
Porém, considerando as dificuldades científicas e tecnológicas existentes no início do século XIX, o modelo atômico de Dalton foi importante por representar uma “primeira aproximação” muito útil para a continuação das pesquisas que melhoraram esse modelo conforme mais e melhores informações foram obtidas e tornaram irreversível a interpretação atômica associada à estrutura da matéria.
Uma das perguntas relacionadas com a existência do átomo diz respeito ao seu tamanho e ao valor de sua massa. As respostas só se tornaram possíveis quando o número de Avogadro foi medido.
Em 1811, o químico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856) propôs a seguinte hipótese:
- “sob as mesmas condições de temperatura e pressão, volumes iguais de todas as substâncias gasosas contêm a mesma quantidade de moléculas, independente de suas propriedades químicas e físicas”.
Em consequência dessa hipótese, estabeleceu-se a idéia de que em um mol de qualquer substância existe sempre a mesma quantidade de átomos ou moléculas: o número de Avogadro.
Se fosse conhecido o valor exato do número de Avogadro, seria possível determinar a massa atômica da substância.
Naquela época só se tinha idéia de que deveria ser um valor muito grande e passaram mais de cinqüenta anos até a determinação do número de Avogadro.
Em 1865, com a contribuição das pesquisas teóricas do físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) e do físico austríaco Ludwig Boltzmann (1844-1906), que fazem a análise do comportamento dos gases supondo que os mesmos tenham uma estrutura atômica, foi possível prever teoricamente o valor do número de Avogadro.
Usando métodos experimentais cada vez mais acurados desenvolvidos para avaliar os resultados teóricos de Maxwell-Boltzmann, foi possível determinar o valor de partículas por mol, atualmente aceito.
Em um mol existem 602.300.000.000.000.000.000.000 partículas.
Com esse resultado foi possível determinar as massas dos diversos átomos e fazer uma estimativa do volume dos mesmos.
Foi um avanço enorme!
Supondo que os átomos tenham a forma esférica e que nos sólidos estão de tal modo empacotados que ficam em contato, obtém-se o valor aproximado da ordem de (1/100.000.000) centímetros para o diâmetro de um átomo.
Esse valor estimado significa que devemos colocar 100 milhões de átomos lado a lado para preencher a distância de 1,0 centímetro.
Essa foi a primeira estimativa relacionada com o volume do átomo esférico e foi esse o modelo atômico que prevaleceu durante todo o século XIX.
Depois desse pequeno, mas importante passo, só em 1897 começaram a acontecer novas descobertas relacionadas com o átomo.
Então as preocupações passaram a ser outras, como serão apresentadas nas próximas publicações.
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segunda-feira, 9 de junho de 2008
No último quarto do século XX os pesquisadores envolvidos com o processo de ensino e aprendizagem de Física, constataram a necessidade de modificar a questão tradicional de “como melhor ensinar a Física?” para o questionamento mais abrangente de “como melhor compreender a Física?”.
Diante desse novo paradigma, surge a necessidade de definir os processos e os procedimentos necessários para desenvolver a nova abordagem, que não se restringe aos limites da concepção didática.
Dentre os processos apontados com tal perspectiva, a História da Física apresenta importantes características que podem estimular a cognição e promover melhor compreensão crítica do desenvolvimento das interpretações sobre os fenômenos da natureza e dos conceitos físicos inventados para representar esses fenômenos.
Para introduzir a História da Física como um elemento ativo no processo de ensino e aprendizagem – contrariando o uso tradicional de apenas contar fatos relevantes ou curiosos da ciência – é necessário construir novos textos fundamentados no desenvolvimento dos processos científicos que alteraram o conhecimento humano sobre a natureza, ou seja, é preciso contextualizar historicamente as interpretações e os conceitos físicos.
Os resultados dessa alteração ainda não estão incorporados, infelizmente, aos processos de ensino e aprendizagem nas escolas e universidades brasileiras.
Os atuais livros textos destinados aos ensinos médio e universitário, estão ainda em adaptação embrionária e, quase sempre, equivocada, pois apenas incluem alguns textos soltos da História da Física, sem a incorporação ao processo de ensino e aprendizagem. Parecem não compreender que essa modificação de paradigma vai além da simples técnica de ensinar.
No Brasil está constatada por várias instituições públicas a existência do “analfabetismo científico” imperando entre os jovens que terminam o ensino médio e, inclusive, os cursos universitários..
Esse fato voltou às manchetes da mídia brasileira em 2003, após a divulgação do resultado do Programa Internacional de Avaliação de Estudantes (PISA), sob a responsabilidade da Unesco, que avalia os conhecimentos básicos de estudantes com 15 anos de idade – idade idealizada para o fim da escolaridade obrigatória. Naquele ano, a segunda participação dos estudantes brasileiros mereceu a quadragésima posição entre 41 países participantes.
Desde então os brasileiros não superaram essa situação e o desempenho dos estudantes no Exame Nacional do Ensino Médio (ENEM), promovido pelo Ministério de Educação (MEC), corrobora essa avaliação.
Esses resultados não são surpreendentes considerando alguns fatores importantes que estão historicamente arraigados ao comportamento institucional e profissional dos responsáveis pelos programas de ensino no nosso país, tais como o tempo de escolaridade média do brasileiro (abaixo de 5 anos), a falta de formação atualizada dos professores (não há cursos de atualização continuada) e a ausência de interesse em investir na divulgação e na educação científica.
A premissa básica necessária para alterar positivamente esse quadro é a ação efetiva sobre esses fatores através de processos de ensino e aprendizagem eficazes.
É com essa intenção que consideramos a necessidade de construir um processo de atualização dos professores de Física e de Ciências no qual o conhecimento organizado da Física seja discutido mediante textos que insiram a História da Física como elemento vivo no processo de ensino e aprendizagem.
OBS: A foto foi “roubada” do folheto de um concurso literário realizado em 2008, na Escola Normal Superior da Universidade do Estado do Amazonas.
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segunda-feira, 28 de maio de 2007
(Continuando o relato feito no artigo publicado anteriormente sobre esse assunto)
Vamos entender um pouco as experiências e as convicções de Cassini e de Römer.
JEAN-DOMINIQUE CASSINI (1625-1712)
Nascido em Perinaldo, aldeia da província de Nice então pertencente a Italia, Cassini, trocou o nome para Jean-Dominique ao se naturalizar francês em 1673. Saiu de Bologna em 1669, convidado pelo astrônomo e ministro francês Colbert (que já convidara outros, inclusive Huygens que foi o primeiro, em 1665) para participar da construção do Observatório Real do qual foi nomeado chefe em 1670, pelo rei francês Luis XIV.
Esse posto deve ter sido conquistado em função do seu meticuloso trabalho de observação, desenvolvido ainda em Bologna, onde se distinguiu, mesmo sem formação universitária, pelas pesquisas sobre o Sol e os planetas – tendo determinado as órbitas de Vênus, Marte e Júpiter – e foi nomeado professor de astronomia na Universidade de Bologna em 1650, tendo publicado o livro Ephemerides, contendo as tabelas com os resultados de suas pesquisas.
Sua pesquisa em Paris resultou na identificação de quatro satélites de Saturno – Iapetus (1671), Rhea (1672), Dione e Tethys (1684) – além da divisão do sistema de anéis de Saturno em duas grandes partes (1675), conhecida desde então por Divisão de Cassini, além de constatar que os anéis eram compostos por partículas tão pequenas que era difícil divisa-las individualmente. Cassini começou o grande mapeamento do meridiano terrestre passando por Paris para verificar a elongação da Terra, hipótese proposta por Descartes.
Cassini, defensor convicto da instantaneidade da propagação da luz, estava dirigindo o Observatório Real de Paris com determinação e, sendo um observador pertinaz como registra a sua história, não poupava esforços, seus e dos auxiliares, e nem o dinheiro do rei para melhorar a capacidade e a precisão dos aparelhos utilizados nas observações dos astros celestes.
Para fazer algumas medidas de distâncias para navegação, em 1671 enviou o seu braço direito, Jean Picard (1620-1682), ao observatório Uraniburg – construído em 1575-1576 pelo dinamarquês Tycho Braher (1546-1601) – com a recomendação de convidar algum jovem talentoso para trabalhar no Observatório Real. Picard encontrou e trouxe Römer para Paris no ano seguinte, 1672.
OLAÜS CHRISTENSEN RÖMER (1644-1710).
Estudante e assistente do dinamarquês Erasmus Bartholinus (1625-1692), Römer que já havia organizado os escritos de Tycho Braher, acompanhou Bartholinus e Picard a Uraniborg e chegou em Paris provavelmente disposto a mostrar o seu talento.
No Observatório Real ficou como assistente de Picard acompanhando as observações dos eclipses dos satélites de Júpiter para determinar a diferença de longitude entre duas cidades por meio da observação simultânea do mesmo eclipse.
No entanto Io, a primeira lua de Júpiter, apresentava incoerências no período orbital e não se conseguia entender porque o seu período se modificava ao longo do ano terrestre. Era conhecido, a partir dessas observações, que o período médio Ti determinado a partir da imersão de Io no cone de penumbra de Júpiter visto da Terra, era menor que o período médio Te determinado a partir da emersão do satélite desse cone de penumbra.
Essa incoerência era interpretada como sendo o resultado de alguma perturbação não identificada que ocorria, provavelmente, durante o eclipse de Io. Medidas e mais medidas eram realizadas na tentativa de identificar a causa desse desvio e… nada de esclarecimentos convincentes.
Nessa parte da história o jovem dinamarquês resolveu entrar no jogo como ator principal, conforme será visto na continuação deste assunto.
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quinta-feira, 10 de maio de 2007
Voltando a comentar este assunto, é importante acrescentar que o próprio Isaac Newton (1643-1727) no seu livro Principia, publicado em 1686, define:
“A quantidade de movimento é a medida do mesmo, obtida conjuntamente a partir da velocidade e da quantidade de matéria.“
Embora Newton tenha sido o inventor do conceito de massa. naquele tempo ele confudiu massa de um corpo com a quantidade de matéria contida nesse corpo.
Mais tarde os pesquisadores definiram que “massa é a medida da inércia do corpo“, enquanto “quantidade de matéria é determinada pelo mol“.
É interessante observar que Newton não aprofunda esse conceito além dessa definição e os livros didáticos geralmente abordam o assunto através da representação matemática desse conceito.
Paul Tipler, no capítulo 7 da terceira edição do livro Física-Mecânica (traduzido por Horacio Macedo da UFRJ), diz simplesmente: “O momento de uma partícula se define como o produto de sua massa pela velocidade”.
O mesmo caminho é seguido por Robert Resnick no capítulo 6 do volume 1 da quinta edição do livro Física.
O professor Moysés Nussenzveig, no capítulo 4 da bem escrita primeira edição do Curso de Física Básica-Mecânica, reproduz a definição de Newton já corrigida, mas não aprofunda a compreensão do conceito antes da matemática.
Para inventar o conceito de quantidade de movimento, tenho a forte impressão de que Newton deve ter ficado muito insatisfeito com o seguinte fato:
1- Contradizendo a interpretação de Aristóteles, Galileo mostrou experimentalmente que – no vácuo – se uma formiga e um elefante forem soltos da mesma altura próxima à superfície da Terra, cairão ao mesmo tempo, desenvolvendo a mesma variação de velocidade;
2- Galileo fundamenta a explicação desse fato experimental inventando o conceito de aceleração: nesse caso o elefante e a formiga estam sujeitos a mesma aceleração, a qual não depende da inércia dos corpos.
No meu livre pensar imagino Newton inconformado com a impossibilidade de distinguir se quem estava caindo era a formiga, ou o elefante, considerando a grande diferença no estrago causado se um, ou o outro caísse na cabeça de uma pessoa.
E deve ter feito a pergunta: Como medir essa diferença no estrago causado?
Imagino que foi para responder a essa pergunta que ele inventou o conceito de quantidade de movimento, representada pela relação matemática p = mv.
Agora fica evidente que a velocidade da formiga e do elefante estão ponderadas pelas respectivas inércias, ou massas, evidenciando que o elefante transporta uma quantidade de movimento muito maior que a transportada pela formiga, embora estejam caindo com a mesma velocidade.
Agora fica bem melhor de entender a diferença no estrago causado pelo elefante!!!!
Referências:
NEWTON, Isaac, Princípios Matemáticos de Filosofia Natural, vol. 1, Nova Stella e EDUSP (1990)
TIPLER, Paul, FÍSICA: Mecânica, vol. 1, Ed. Livros Técnicos e Científicos LTDA.
RESNICK, Robert. , HALLIDAY, David. e KRANE, Kenneth S, FÍSICA, vol. 1, Ed. Livros Técnicos e Científicos.
NUSSENZVEIG, H.M., CURSO DE FÍSICA BÁSICA, vol. 1, Ed. Edgard Blücher.
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sexta-feira, 13 de abril de 2007
Embora estejamos convivendo com modernos, velozes e eficazes meios de comunicação, há quantidade enorme de conhecimento científico e tecnológico desenvolvido nos últimos 100 anos que permanece desconhecida da maioria da população, inclusive da pequena parcela da população com formação universitária.
Avalie seu conhecimento a respeito de alguns elementos da ciência e da tecnologia que marcaram os últimos cem anos, respondendo ao bem humorado teste elaborado pelo pesquisador Henrique Fleming, professor titular do Instituto de Física da USP, o qual foi contemporâneo da maioria dos pesquisadores que desenvolveram o conhecimento abordado neste teste. O fato de não ter sido o autor direto de nenhum desses assuntos já não o aborrece tanto, após décadas de terapia gratuita.
TESTE
1) O carbono 14 é:
a- Um formato de papel-carbono;
b- O núcleo do átomo de carbono usual;
c- Um isótopo radioativo do núcleo de carbono, usado na datação de restos de seres vivos;
d- Carvão ativado, de amplo uso como medicamento.
2) Os raios cósmicos são:
a- Descargas elétricas de uma gigantesca, cósmica, tempestade;
b- Certas descargas elétricas de uso cosmético;
c- Descargas elétricas em altas montanhas;
d- Partículas que incidem sobre a Terra, vindas do espaço.
3) Os locutores esportivos gostam de citar a “lei da física” que diz que “dois corpos não podem ocupar – ao mesmo tempo – o mesmo lugar no espaço“. Essa lei:
a- Na física quântica, “já era”;
b- Continua em vigor;
c- É verdadeira, mas não foi ainda regulamentada;
d- A física quântica não se aplica a corpos. Só a átomos, moléculas e outros objetos microscópicos.
4) A frase “Há boas probabilidades de que exista vida em Europa“, significa que:
a- O autor da frase tinha problemas com a sintaxe, para dizer o mínimo;
b- Há boas probabilidades de que exista vida no satélite Europa, de Júpiter;
c- Há boas probabilidades de que exista vida no satélite Europa, de Marte;
d- A vida fora do Brasil não é considerada uma verdadeira vida.
5) O princípio de Lavoisier “Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma“:
a- Nunca precisou ser alterado;
b- É uma prova de que o universo é eterno;
c- Está errado;
d- Só vale, com a precisão moderna, para a química dos fulerenos.
6) Nas estações espaciais costuma-se realizar o crescimento de cristais. O objetivo é:
a- Produzir cristais mais perfeitos;
b- Produzir cristais num ambiente onde a geometria não é euclidiana;
c- Aproveitar os eventuais poderes mágicos dos cristais;
d- Combater o tédio, como uma versão cósmica da jardinagem.
7) O “último teorema” de Fermat é:
a- A continuação não autorizada, dirigida por Fermat, do filme “Teorema”, de Pier Paolo Pasolini;
b- Uma crítica mordaz do filme citado, publicada na revista “The New Yorker”. Pierre Fermat substituiu a famosa crítica Pauline Kael;
c- Teorema mesmo, de matemática, que levou vários séculos para ser demonstrado;
d- Teorema que prova que os números primos são em quantidade infinita.
Nós somos “poeira de estrelas” é:
a- A última frase de Einstein, no leito de morte;
b- Uma forma poética de dizer que o material de que somos feitos, os elementos, são, quase todos, produzidos em estrelas;
c- Mais uma variante do tradicional sentimento de culpa judaico-cristão;
d- O título de uma famosíssima música americana, “Stardust”;
9) Qual é a relação entre relatividade geral e eclipse?
a- O tédio, pois tanto a teoria de Einstein como o filme de Michelangelo Antonioni são de levar ao suicídio;
b- O hermetismo, pois tanto a teoria como o filme são incompreensíveis;
c- Durante eclipses do Sol, são feitas observações críticas para testar a teoria de Einstein;
d- Em eclipses solares, foi descoberto o elemento “coronium”, previsto por Einstein.
10) A antimatéria é:
a- Uma previsão da mecânica quântica que estaria na origem do fenômeno da inércia;
b- Uma posição filosófica de oposição ao materialismo, mais conhecida como idealismo, ;
c- Uma hipotética forma de matéria que tem peso negativo;
d- Outra forma de matéria, de existência comprovada, a qual ao interagir com a matéria ordinária, geralmente convertem-se em luz.
OBS: 1- O gabarito deste teste será apresentado aqui, na próxima semana.
2- Este teste foi publicado na versão on-line do jornal a Folha de São Paulo, em janeiro de 2004.
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