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Guia do Professor – Vídeo – Os Curiosos - Cargas elétricas e eletrização - Eletrostática - Versão 1.1

IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em outubro de 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia

- Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT

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Ficha de Catalogação

Tema: Cargas elétricas e eletrização - Eletrostática.

Tempo de duração do vídeo: aprox. 10 minutos.

Tempo sugerido/previsto para utilização do vídeo: 2 aulas de 50 minutos.

Pré-requisitos:

Não são necessários pré-requisitos para o tema abordado, este vídeo pode ser um motivador para o início do estudo da eletrostática ou um complemento dos

tópicos já estudados.

Objetivos da atividade:

Entender o conceito de eletrostática, os princípios de conservação

de carga, atração e repulsão e os processos de eletrização;

Relacionar e reconhecer a aplicação dos conceitos e dos dispositivos no cotidiano.

Introdução

Caro professor, este vídeo foi desenvolvido visando discutir e problematizar com os alunos do ensino médio o tema “Eletrostática”.

A abordagem do tema pode ter um caráter histórico, assim recomenda-se utilizar elementos da trajetória de William Thomson – Lorde Kelvin, grande

cientista e tecnologista. Kelvin escreveu 660 artigos e desenvolveu mais de 70 invenções em 83 anos de vida. Entre suas invenções, podemos destacar sua

máquina eletrostática gotejante, considerada o primeiro ancestral do gerador de Van de Graaff.




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Porém, para entender o desenvolvimento das ideias da Física e especialmente a eletricidade estática, voltamos há 2600 anos, quando, aproximadamente em

600 a.C., o filosofo grego Tales de Mileto observou determinados fenômenos elétricos, atribuindo-lhes explicações científicas. Muitos séculos se passaram até

que William Gilbert (1544-1603) retomou os estudos de Tales e criou o termo “elétrico”, a partir da palavra grega elektron, que significa “âmbar”, resina

utilizada por Tales em seus experimentos de eletrização.

Essa história seguiu ao longo dos séculos com muitas descobertas e como resultado temos a invenção de grandes aceleradores de partículas, máquinas de

xerografia, pára-raios, etc.

Conceitualmente, pode-se definir a eletrostática como sendo aquela em que não há deslocamento considerável de cargas, porém é possível observar a sua

atração ou repulsão.

Devem-se levar em conta concepções errôneas em relação às cargas elétricas,

especialmente sobre o princípio da conservação da carga.

Outros pontos a serem levantados são a série tribo-elétrica, os processos de eletrização, polarização da carga de um objeto, e eventualmente, pode-se

avançar no conteúdo trabalhando conceitos como campo, força e energia elétrica, capacitores e blindagem eletrostática.




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A utilização de simuladores em conjunto com os experimentos facilita o

entendimento de conceitos abstratos contidos nos fenômenos apresentados. Consulte os links: http://phet.colorado.edu/en/simulation/balloons e

http://phet.colorado.edu/en/simulation/travoltage, e verifique exemplos desses

esquemas.

A leitura de artigos científicos e de caráter histórico também podem ser motivadores para a aprendizagem.

Acreditamos que o vídeo é um excelente meio de comunicação integrador e

motivador para os alunos. Ele aproxima a sala de aula do cotidiano, das linguagens de aprendizagem e comunicação da sociedade, assim como também

introduz novas questões no processo educacional.

Para o desenvolvimento dessa temática, são apresentadas situações referentes ao cotidiano dos alunos, de forma lúdica, curiosa e inusitada, vividas por nossos

jovens curiosos, sempre se baseando em questionamentos e situações problematizadoras.

Mas afinal, qual a diferença entre polarização e eletrização?

Como aparece em nosso vídeo, ao atritarmos corpos de diferentes materiais irá ocorrer a eletrização, ou seja, haverá uma troca de cargas, onde um corpo

perderá elétrons, ficando carregado positivamente, e o outro ganhará esses elétrons, ficando carregado negativamente.




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A polarização das cargas ocorre quando um determinado corpo neutro fica

sujeito à ação de um campo elétrico, gerado, por exemplo, por um corpo eletrizado/carregado. Deve-se distinguir entre a eletrização que ocorre quando

o corpo neutro for um condutor ou um isolante. No primeiro caso ocorre uma redistribuição das cargas positivas e negativas. Isto é, os elétrons por serem

mais leves fluirão opondo-se às extremidades positivas do corpo carregado

indutor. Já no segundo caso haverá uma redistribuição das cargas positivas e negativas dos átimos ou moléculas cada um se transformando em um dipolo

elétrico e, finalmente o campo elétrico externo poderá orientar os dipolos polarizando o corpo como um todo.




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Um corpo condutor polarizado na presença de um campo pode tornar-se eletrizado, desde que façamos o procedimento de ligarmos este corpo a Terra e

logo depois desfazer a ligação. A presença de um campo cria no corpo neutro uma diferença de potencial (ddp) que faz com que cargas se desloquem

tornando-o positivo ou negativo, o que chamamos de eletrização por indução.

Outra forma de eletrizar corpos que é apresentada no vídeo é o contato. Por

exemplo, quando os jovens atritam um canudo no cabelo e o encostam no anel metálico isolado do gerador de Kelvin, o anel passa a ter o excesso de cargas

de mesmo sinal do canudo, ou seja, parte das cargas presentes no canudo passam para o anel, buscando uma igualdade de potencial elétrico.

Os corpos possuem uma capacidade máxima de armazenar cargas, dessa

forma, podemos observar no gerador de Kelvin que os recipientes que recebem a água possuem um revestimento metálico, onde as cargas se depositarão.

Esse dispositivo representa um capacitor.

Outro fenômeno interessante é o poder dar pontas, que pode ser observado no faiscador. Caso tenhamos objetos eletrizados não esféricos, a distribuição de

cargas nesse corpo não será uniforme, havendo um acúmulo de cargas em seus

vértices. Devido a esse fenômeno, temos aplicações, como o pára-raios, que é um eficiente dispositivo para proteção de áreas sujeitas a descargas elétricas.




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Por fim, temos um simples dispositivo chamado eletroscópio, que se utilizando

da polarização das cargas, é capaz de indicar a presença de corpos eletrizados.

Dicas para utilização do vídeo

Os vídeos do projeto “Acessa Física” foram desenvolvidos pensando em problematizar situações físicas presentes no cotidiano dos alunos. Em cada

episódio, alguns jovens curiosos resolvem problemas e/ou vivenciam situações inusitadas e curiosas, instigadas inicialmente por um professor de Física.

Todas as mídias têm por objetivo ser um meio de comunicação integrador e

motivador para os alunos. No entanto, a maneira como você, professor, irá

utilizá-lo pode variar.

O vídeo pode ser motivador – Nesse caso, o professor poderá utilizá-lo antes da discussão e explicação do tema do vídeo. As tramas podem ser utilizadas para

introduzir um novo assunto, já que objetivam despertar a curiosidade e motivação para o tema a ser discutido.

Ou, o vídeo pode ser demonstrativo – Nesse caso, deverá ser utilizado após a

discussão e explicação do tema do vídeo. O professor pode optar por abordar e explicar a temática em questão antes de sua utilização, e assim a mídia ajudará

a mostrar e levantar novas questões referentes às explicações e discussões já vividas em sala.




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Há também a possibilidade do vídeo ser utilizado como suporte de ensino – Nesse caso, pode ser usado durante a explicação do professor, não antes ou

depois. As tramas podem ser utilizadas para responder questões, assim como para levantar outras

Todos os vídeos têm duração de aproximadamente 10 minutos, mas é

importante que o professor se prepare e planeje suas aulas da melhor maneira,

visando cumprir os seus objetivos específicos de ensino e levando em consideração o tempo previsto para execução da atividade e discussão da

temática.

É importante destacar também, que cada turma reage de uma maneira frente à exibição dos vídeos; o guia do professor traz algumas sugestões de como

utilizar e também se preparar para a aplicação da peça, dá subsídios para questões prévias e desafios interessantes para que essa atividade atenda ao

propósito para o qual você, professor, se planejou.

Leia atentamente o guia a seguir, assista ao vídeo proposto e boa atividade a todos!

Sinopse

Esta atividade irá trabalhar os conceitos de eletrostática, fenômenos como

eletrização por indução, atrito ou contato. A equipe vermelha demonstrará o fenômeno da polarização e atração elétrica entre corpos, enquanto a equipe

azul construirá um gerador eletrostático.

O vídeo se inicia com o Físico apresentando os principais pontos a serem trabalhados, introduzindo os conceitos de carga, eletrização, polarização e

fornecendo exemplos claros e situações curiosas do cotidiano, nos quais se manifesta a eletricidade estática.

Posteriormente, a equipe Vermelha realizará experimentos com materiais de baixo custo, que possibilitam a visualização dos processos de eletrização por

atrito e indução, e demonstrarão que a polarização ocorre tanto em materiais condutores quanto isolantes. Ao atritarem um cano de PVC com uma flanela,

observarão, devido à polarização das moléculas de água, a atração eletrostática. Perceberão o mesmo fenômeno de atração quando aproximarem o

cano de uma latinha de alumínio, onde haverá polarização de cargas por indução.

A equipe azul, por outro lado, construirá um gerador eletrostático de Kelvin;

com ele, eles observarão a armazenagem de cargas em um capacitor




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rudimentar, onde ocorrem descargas elétricas quando o valor da diferença de potencial atinge o potencial de ruptura da rigidez dielétrica do ar.

Por fim, o físico explica detalhadamente o processo de funcionamento do

gerador de Kelvin, fornece outros exemplos do cotidiano em que ocorre a eletrização e cita a importância do aterramento elétrico.

Preparação

Antes da exibição do vídeo, sugerimos a você, professor, que:

Assista ao vídeo com antecedência para conhecê-lo. É importante assistir atentamente ao material. Atente-se para as questões e situações levantadas.

Cheque a qualidade da cópia e deixe a mídia preparada no ponto exato para a exibição.

Informe aos alunos somente aspectos gerais do vídeo (autor, duração, tema).

Não interprete, nem antecipe as questões que serão tratadas no vídeo, para que ele não se torne mera demonstração do que já foi discutido. Deixe que

cada um possa fazer a sua leitura.

O professor, sem antecipar as situações do vídeo, pode instigar os alunos com

questionamentos para que eles reflitam sobre o tema da atividade.

Exemplos de questionamentos:

É possível atrair a água?

De onde vêm os raios?

Por que levamos pequenos choques na porta do carro ou ao utilizar

roupas de Poliéster?

Possivelmente, os alunos irão resgatar as ideias de modelos atômicos, considerando o átomo como elemento irredutível ou até mesmo o elétron como

elemento fixo ao átomo. O elétron é comumente entendido como elemento “consumido” quando se pensa em corrente elétrica. Esses questionamentos

deverão surgir ao longo do curso, mas como elemento inicial e motivador, a eletrostática traz fundamentos básicos para o desenvolvimento dos conteúdos

de eletricidade, como o princípio de conservação de cargas, atração e repulsão, campo elétrico, enfim, as bases para um curso de eletricidade.

Para explicar as questões colocadas acima, o professor pode recorrer aos




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conhecimentos químicos prévios dos alunos e ao empirismo experimental. A atração eletrostática da água pode levantar ideias de moléculas polares e

apolares, e caso o professor queira se aprofundar mais, pode-se discutir também a ideia de orbitais quânticos, normalmente trabalhada no 1° ano do

ensino médio.

Quando se fala a respeito de raios, podem surgir algumas dúvidas como, por

exemplo, o sentido do raio, se ele sobe ou desce; a diferença entre raio, relâmpago e trovão; ou até mesmo o porquê de ouvimos o trovão após vermos

o raio.

No artigo “A Física das Tempestades e dos Raios”, temos uma explicação detalhada sobre raios, mas de forma simplificada é possível afirmar que o raio

(descarga elétrica) pode subir, descer ou apenas ocorrer entre nuvens ou intra-nuvem. Ele surge devido à eletrização das nuvens em sua formação, ocorrendo

através do atrito das partículas com o ar ou até mesmo do granizo com os cristais de gelo presentes na nuvem.

A eletrização por atrito também é a responsável pelos choques que levamos na

porta dos carros; isso ocorre, pois nós podemos estar eletrizados ao atritarmos nossos corpos com o tecido do banco do carro, ou o próprio carro pode estar

eletrizado ao atritar sua lataria com o ar.

Não se preocupe, nesse momento da atividade, em encontrar respostas

corretas e únicas, mas sim em despertar as dúvidas e questionamentos sobre os conceitos que serão abordados e desenvolvidos no vídeo.

O professor pode optar também por somente informar aos alunos do que se

trata o vídeo e pedir a eles que apresentem ideias e hipóteses sobre a temática a que irão assistir. Essas informações podem ser anotadas coletivamente ou

individualmente pelos alunos em um exercício de reflexão sobre “o que eu sei”. Nessa atividade, os alunos poderão escrever o que sabem sobre o tema a ser

abordado.

Discutir a geração de energia elétrica, a conservação de energia e da carga e a armazenagem dessas cargas e da energia são fundamentais para entender o

funcionamento do gerador de Kelvin.

Durante a atividade

Atente-se para as cenas mais importantes e anote-as para uma posterior discussão. É importante também observar as reações do grupo: como eles

reagem à exibição do vídeo.




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Se achar necessário, pause a exibição do vídeo para esclarecer e discutir a(s) passagem(s) que julgar interessante(s).

Pode-se também propor uma tarefa aos alunos relacionada ao conteúdo do

segmento do vídeo a que estão prestes a assistir (uma questão, uma pesquisa ou mesmo uma observação). Os alunos, por exemplo, deverão anotar as

informações que foram solicitadas. Dessa forma, dois objetivos serão atingidos

por meio desta atividade: primeiro, que as crianças prestem atenção durante o segmento, e, segundo, que estejam alerta às respostas que foram solicitadas.

A seguir, segue a discussão das questões abordadas no vídeo:

1. Por que a água e a lata de refrigerante foram atraídas pelo tubo de

PVC?

Resposta: O tubo de PVC, ao ser atritado com a flanela, eletriza-se. Ao aproximarmos o cano eletrizado da lata de alumínio (condutora neutra), esta

passa a ter suas cargas polarizadas, fazendo com que a atração elétrica seja mais forte do que a repulsão.

2. Como funciona o gerador de Kelvin?

Resposta: Primeiro, temos os reservatórios com água normal e neutra. Em seguida, um gotejador para controlar os pingos de água.

Logo abaixo de cada um deles, temos um anel de metal que, por enquanto,

também está sem carga. O anel DA DIREITA está ligado por um fio condutor ao coletor isolado DA ESQUERDA e vice versa.

Quando fornecemos carga elétrica ao anel da direita, tanto ele quanto o balde

coletor da esquerda ficam carregados.

O fato de ter carga positiva no anel da direita faz com que a água acima do anel fique induzida negativamente.

Quando a água com carga negativa que cai do reservatório da direita passa pelo

anel positivo e cai no balde, ela carrega o balde da direita negativamente. Como

o balde está ligado ao anel oposto, ele também fica carregado negativamente, o que induz cargas positivas na água acima do anel.

Isso fará com que o balde da esquerda fique carregado positivamente.

Conseguimos assim, uma montagem autossustentável, onde as cargas dos baldes alimentam os anéis indutores opostos.

O ciclo se reforça, mas ele foi iniciado pela transferência de carga por contato

entre o tubo de PVC e o anel indutor da direita.

Quando o sistema fica carregado o suficiente, os condutores conectados a cada




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balde e separados por uma distância de aproximadamente 2 milímetros, rompem a rigidez dielétrica do ar e abrem um arco voltaico, que é a nossa

popular faísca.

Como conhecemos o valor da rigidez dielétrica do ar e a distância de separação, podemos calcular a voltagem da faísca, que neste caso, é de aproximadamente

seis mil volts.

Depois da atividade

Depois da exibição do vídeo, o professor pode rever os diálogos mais importantes ou que considerar difíceis. Se achar necessário, ele poderá exibi-los

uma segunda vez, chamando a atenção para determinados diálogos ou situações.

É importante que o grupo (professor e alunos) desenvolva uma discussão sobre

o vídeo, destacando questões, dúvidas e comentários sobre a mídia.

Após a aula, pode-se também resgatar a dinâmica em que os alunos refletem e

escrevem inicialmente em uma folha de papel sobre “o que aprenderam”. Eles escreverão sobre algo novo que tenham aprendido com o vídeo. Podem ainda

trocar a folha com os colegas para incentivar discussões.

A seguir, sugestões de algumas questões que podem ser feitas após a exibição do vídeo.

Questões Sugestão de Resposta

Quais os tipos de

eletrização e qual destas formas foi

utilizada para eletrizar o tubo de PVC?

Basicamente, temos três formas de eletrização:

Contato; Atrito e Indução. No caso do tubo de PVC, tivemos a eletrização

por atrito ao esfregá-lo com uma flanela.

Qual a diferença entre um objeto eletrizado e

um objeto polarizado?

Um corpo eletrizado possui desequilíbrio de cargas, ou seja, não está neutro. Já um corpo

polarizado ainda está neutro, porém possui uma distribuição diferenciada de cargas, havendo

maior concentração de elétrons em um

determinado ponto.




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Questão - Desafio

Se o gerador produz

uma ddp de mais de

6000 V, por que não morremos ao receber o

choque?

O que pode causar a morte é a razão entre o

número de cargas e o tempo que passam no

corpo humano. Essa razão é denominada corrente elétrica. Quanto maior o número de

cargas transportando determinada energia, mais perigoso é o choque. Como a corrente obtida no

gerador é muito pequena, mesmo com a alta tensão, a energia é muito pequena para nos

causar danos.

Avaliação

Avalie o efeito do segmento apresentado. Você pode perguntar aos seus alunos o que eles aprenderam, se o vídeo lhes forneceu ideias claras, se ficaram

dúvidas ou, ainda, se eles gostariam de assistir a outros vídeos sobre a temática.

Sugerimos como possibilidade de avaliação um momento em que os alunos

opinem e comentem a atividade. O professor pode solicitar aos alunos que, em pequenos grupos, realizem apresentações sobre alguns dos fenômenos

apresentados no vídeo, utilizando experimentos e demonstrações de forma

qualitativa e quantitativa.

Atividades complementares

Áudio do Projeto Acessa Física – Raio.

Para saber mais

Hewitt, P.G, Física Conceitual, 9ª Edição-Porto Alegre: Bookman, 2002.




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Livro com todos os conceitos e ótimas questões para trabalhar qualitativamente a Física.

Máximo, A., Alvarenga, B. Física. Volume Único. São Paulo: Editora Scipione,

1997. Livro didático com inserções históricas sobre Lord Kelvin e a eletricidade.

Penteado, P.C.M., Física – ciência e tecnologia. São Paulo: Editora Moderna, 2005.

Livro didático aprovado pelo PNLEM 2009, contendo inúmeras aplicações tecnológicas, exercícios e exemplos relevantes.

Camillo, J., Construção de um gerador eletrostático gotejante: chuva elétrica de

Kelvin. Revista Física na Escola, v. 9, n.1, 2008. pag 29-32. Disponível em: http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol9/Num1/gerador.pdf

Artigo com o detalhamento da montagem do gerador de Kelvin.

http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/Kelvin-demonstrado.pdf Artigo publicado na revista Brasileira de Ensino de Física traduzindo um paper

originalmente publicado na conceituada The Physics Teacher. Traz a história de Kelvin e suas principais contribuições para a Ciência, detalhando o seu gerador

eletrostático.

http://servlab.fis.unb.br/matdid/2_2005/fstutz/eletroscopio/pontas.htm

Texto traz a montagem de um eletroscópio e a verificação do poder das pontas.

http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol2/Num1/raios.pdf Texto “A Física das Tempestades e dos Raios”, sobre Raios, Relâmpagos e

Trovões.

http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/editorial_vol29_num4.pdf; http://www.sbpcnet.org.br/livro/60ra/textos/CO-NelsonStudart.pdf;

http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/Kelvin-nuvens.pdf; http://www.sbfisica.org.br/rbef/indice.php?vol=29&num=4

Textos em tributo a Kelvin, suas realizações, fatos históricos reais ou fictícios.

http://phet.colorado.edu/en/simulation/balloons e

http://phet.colorado.edu/en/simulation/travoltage Simuladores sobre fenômenos da Eletrostática.

http://educar.sc.usp.br/ciencias/fisica/mf2.htm Texto sobre eletrização e choques elétricos.

http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_01.asp;

http://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F809_sem2_2002/970362_CarlosRodrigues_Gerador.pdf;

Material explicando a montagem do gerador eletrostático de Kelvin.




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http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_10.asp Experimento com a montagem de um eletroscópio.

http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_12.asp Demonstrações experimentais com o gerador de Van der Graaff, como o poder

das pontas, vento elétrico, etc.

http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_24.asp

Construção de uma garrafa de Leiden.

Créditos

Projeto Acessa Física

Instituição Executora IBTF - Instituto Brasileiro de Educação e

Tecnologia de Formação a Distância

Parceiros CDCC - Centro de Divulgação Científica e

Cultural – USP

IEA - Instituto de Estudos Avançados - São

Carlos – USP

Concepção de Linguagem Cao Hamburger

Concepção e Revisão de

Roteiros

Prof. Carlos Alfredo Argüello

Prof. Dietrich Schiel

Prof. Yvonne Primerano Mascarenhas

Prof. Carolina Rodrigues de Souza

Prof. Paulo Roberto Mascarenhas

Prof. Márcio Leandro Rotondo

Prof. Naylor Ferreira de Oliveira

Prof. Ana Aleixo Diniz

Prof. Felipe Castilho de Souza

Prof. Herbert Alexandre João

Carolina Codá

Coordenador Pedagógico Hamilton Silva




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Apresentação Professores – Márcio Miranda e Luis Nunes

Patrícia – Bruna P. dos Santos

Marina – Yasmim Karina Reis

Marcelo – Thomas Canton Miranda

Jana – Natália Belasalma

Edu – David Narciso

Jonathan – Renato Capella

Livia – Zoe Yasmine Miranda Sá Dall’igna

Luize – Ana Carolina Garbuio

Pietro - Bruno Garbuio

Iara – Letícia Ferreira

Maurício – Lauro De Paiva Pirolla

Fernanda – Nicole Santaella

Carol – Andressa Barbosa C. Gomes

Bruno – Lucas Matsukura

Caio – Wesley Soalheiro de Souza

Pedro – Victor Casé de Souza Oliveira

Beto – Renato Augusto G. Rodrigues

Renata – Luiza Campos Martins

Felipe – Adans Paulo

Paulo – Rafael Augusto Montassier

Direção Glauco M. de Toledo

José Pinotti

Julio Peronti

Carlos Henrique Branco

Wagner Netto

Produção Danny Santos

José Pinotti

Paulo Mascarenhas

Taciana Previero

Wagner Netto

Roteiros Claudio Ferraraz Jr.

Francisco R. Belda

Glauco M. de Toledo

Luiz Salles

Renato Capella

Roger Mestriner

Direção de Fotografia Adriano S. Barbuto

Fabio Tashiro




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Edição e Finalização Danny Santos

Elói Beltrami Doltrário

Fernando Rodrigues

Ivan M. Franco

Rodrigo Pio

Animação 3D André Fonseca Silva

Som Direto Wagner Netto

Adans Paulo

Sound Designer Alexey Rodrigo

Adans Paulo

Projeto financiado pelo MEC - Ministério da Educação e pelo MCT -

Ministério da Ciência e Tecnologia

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