Guia do Professor
Vídeo
Os Curiosos - Cargas elétricas
e eletrização - Eletrostática
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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
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 intranuvem. 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?
Qual a diferença entre
um objeto eletrizado e
um objeto polarizado?
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.
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
http://phet.colorado.edu/en/simulation/travoltage
Simuladores sobre fenômenos da Eletrostática.
e
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_s
em2_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 Prof. Carlos Alfredo Argüello
Roteiros 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
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