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Trabalhos de Estudantes Trab. de Física - 12º Ano |
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Fibras Ópticas Autores: Catarina Ferrreira Escola: [Escola não identificada] Data de Publicação: 22/06/2011 Resumo do Trabalho: Trabalho sobre as fibras ópticas (a sua evolução, estrutura, vantagens e desvantagens e sua aplicação), realizado no âmbito da disciplina de Física (12º ano). Comentar este trabalho / Ler outros comentários Se tens trabalhos com boas classificações, envia-nos, de preferência em word para notapositiva@sapo.pt pois só assim o nosso site poderá crescer.
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I – Introdução No âmbito da disciplina de Física – Química A, foi solicitado ao nosso grupo a realização de uma pesquisa sobre o tema: “ Fibras Ópticas”. Actualmente, vivemos num mundo pleno de informação, uma informação que nos rodeia por todas as partes. Desde que surgiu o telégrafo, e de seguida o telefone, a rádio, etc. vemos como os meios de comunicação electrónicos se fixam cada vez mais na nossa cultura e nas actividades diárias da sociedade actual. A televisão, os telemóveis, as comunicações por satélite, são sistemas que fazem parte de um conjunto que nos permite ter acesso a toda a informação de modo rápido e mantermo-nos em comunicação uns com os outros em qualquer momento. Contudo há um meio que se pode definir como o centro mundial de toda a informação, de onde praticamente tudo é possível, este meio é a Internet. A Internet tem-se tornado nos últimos tempos num “banco” de dados de informação, no qual qualquer pessoa com um computador pessoal e um modulador – demodulador (MODEM) e uma linha telefónica, por exemplo, pode ter acesso, e obter a informação que deseja de uma forma simples e rápida a partir de sua casa. Pode dizer-se que a cada dia que passa a quantidade de informação que se encontra na rede das redes é maior ou igual que o numero de pessoas que se conectam, e cada vez mais os usuários desejam ter serviços que necessitam uma maior velocidade de transferência de dados, como conversações de voz e vídeo, fazer download’s de grandes arquivos, etc. Assim, terá sido necessária a criação de um novo meio para a transmissão de informação, capaz de transferir dados de uma maneira mais eficaz, rápida e acessível para um grande numero de pessoas. Este meio é a Fibra Óptica. Desde que foram desenvolvidas, as fibras ópticas representaram uma grande revolução na forma de transmitir informações. A fibra óptica vem sendo utilizada para transmitir voz, televisão e sinais de dados por ondas de luz, por meios de fios finos e flexíveis, constituídos de vidro ou plástico que, comparados com fios metálicos, apresentam inúmeras vantagens. O objectivo deste trabalho é apresentar vários conceitos relacionados com a fibra óptica e a sua evolução ao longo dos tempos, a sua estrutura/propriedades e o processo de propagação, vantagens e desvantagens da utilização da fibra óptica e por fim algumas das suas aplicações. II – Breve Historia da Evolução da Fibra Óptica A história do dieléctrico óptico remonta-nos ao Período Victoriano[1], quando as principais reflexões internas eram usadas como correntes luminosas elaboradas em chafarizes públicos. No início do século XX, focou-se no desenvolvimento de fibras com transmissão de imagem, com a primeira aplicação, dando origem ao instrumento – gastroscópio[2]. A primeira fibra óptica semi-flexível gastroscópica, foi criada por Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters, e Lawrence E. Curtiss, investigadores da Universidade de Michigan em 1956. No processo de desenvolvimento de gastroscópio, Curtiss produziu a primeira cobertura de vidro de fibras, previas fibras ópticas basearam-se no ar ou em óleos pouco práticos e ceras como baixos índices e material revestido. Em 1965, Charles K. Kao e George A. Hockham da companhia Britânica – Standard Telephones and Cables foram os primeiros a reconhecer o enfraquecimento das fibras contemporâneas que foram causadas por impurezas, fundamentalmente por bastantes efeitos físicos, as quais poderiam ser removidas. Eles demonstraram que a fibra óptica podia ser uma medida pratica da comunicação, se conseguissem atenuar e reduzir para baixo dos 20 dB (decibéis) por quilómetro. Através desta medida, a primeira fibra óptica pratica para as comunicações foi inventada em 1970 pelos investigadores Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter Schultz, e Frank Zimar que trabalharam para a vidreira Americana Corning Glass Works. Eles manufacturaram uma atenuação de fibra óptica de 17 decibéis por quilómetro através de um acréscimo de impurezas do vidro silíco com titânio. Em 22 de Abril de 1977, a General Telephone and Electronics criou o primeiro sinal de existência do tráfico de telefone através de fibras ópticas, com 6 megabits, em Long Beach, na Califórnia. O amplificador de fibras “erbium – doped”, que reduz o custo do sistema de fibras de longa distancia, através da eliminação da necessidade óptica – eléctrico – óptica repetidamente, foi inventado por David Payne da Universidade de Southampton, e por Emmanuel Desurvire do Bell Laboratories em 1986. O primeiro cabo telefónico transatlântico a usar fibra óptica foi TAT – 8, baseado em Desurvire optimizar a tecnologia da amplificação. Começou a ser operacionalizado em 1988. Em 1991, este campo emergia pelos fotões de cristais, através do desenvolvimento das fibras de fotão de cristal, os quais guiaram a luz através do significado da difracção do período da estrutura, muito mais do que o total das reflexões internas. A primeira fibra de fotão de cristal tornou-se disponível no mercado em 1996. As fibras de fotão de cristal podem ser desenhadas para carregar mais poder do que a fibra convencional e o comprimento de onda depende das suas propriedades se poder ser manipuladas para melhorar a sua performance em determinadas aplicações. III – Fibras Ópticas III.I – O que são? Fibra óptica é um filamento, de vidro ou de materiais poliméricos, com capacidade de transmitir luz. Estes filamentos têm vários diâmetros, indo de diâmetros ínfimos (como um fio de cabelo ou ate mais fino) até vários milímetros. O vidro é o material mais utilizado porque absorve menos as ondas electromagnéticas. Independentemente do material usado ou da aplicação a transmissão da luz segue sempre o mesmo princípio: é lançado um feixe de luz numa extremidade da fibra, esse feixe percorre a fibra através de consecutivas reflexões. A fibra possui no mínimo duas camadas: o núcleo e o revestimento, no núcleo ocorre a transmissão da luz, esta só é possível graças a diferença do índice de refracção entre o revestimento e o núcleo, pois o núcleo possui um índice de refracção mais elevado, característica que liga ao ângulo de incidência do feixe de luz, que possibilita o fenómeno da reflexão total. O meio de transmissão por fibra óptica é chamado de “guiado”, porque as ondas electromagnéticas são “guiadas” na fibra, contrariamente à transmissão sem fio, o meio é chamado de “não – guiado”. A luz transmitida pela fibra óptica proporciona o alcance de taxas de transmissão elevada, apesar de ainda não ter sido alcançada pelas tecnologias existentes. Para transmitir dados pela fibra óptica, é necessário um equipamento especial chamado “infoduto”. A fibra óptica é indispensável em algumas aplicações pelo facto de ser imune a interferência electromagnética, porque não transmite pulsos eléctricos. As fibras ópticas podem ser de dois modos: - Monomodo: núcleo e revestimento (o revestimento pode ser simples ou duplo). - Multimodo: diversas camadas e índices de refracção diferentes que ajudam na propagação da luz. Em 1952, o físico Narinder Singh Kapany, com base nos estudos efectuados pelo físico inglês John Tyndall de que a luz poderia descrever uma trajectória curva dentro de um material, pode concluir as suas experiências levando à invenção da fibra óptica. A fibra óptica é um excelente meio de transmissão utilizado em sistemas que exigem alta largura de banda, por exemplo: o sistema telefónico, videoconferência, redes locais (LANs - local area network). As vantagens das fibras ópticas em relação aos cabos metálicos são: a fibra óptica é imune a interferências electromagnéticas, significa que os dados não serão corrompidos, não conduz corrente eléctrica. O princípio fundamental que rege o funcionamento das fibras é o fenómeno físico chamado de reflexão total da luz. Para que haja a reflexão total da luz deve sair de um meio mais para um meio menos refringente, e o ângulo de incidência deve ser igual ou maior do que o ângulo limite. III.II – Estrutura As primeiras fibras ópticas eram contituidas por um material de elevado índice de refração, por sua vez era envolvido num outro com um índice de refração menor. Na fronteira entre estes dois meios há uma reflexão total da luz (fig 1).
Figura 1-Constituição
das primeiras fibras ópticas Actualmente as fibras ópticas são um filamento transparente e delgado, que pode ser feita de plástico ou de vidro, revestida por um material com baixo índice de refracção. Além destes dois materiais, esta possui também um revestimento plástico que lhe garante uma protecção mecânica contra o ambiente externo, (Fig.2)
Figura 2 – estrutura de um cabo de fibra óptica. III.III – Propagação Para que haja transmissão dos sinais é necessário um conversor de sinais eléctricos para sinais ópticos, um transmissor e um receptor dos sinais ópticos, e um conversor de sinais ópticos para os sinais eléctricos. Quando a luz passa de um meio para outro (para a água) esta sofre refracção, que provoca um desvio na sua trajectória. Quando um destes meios é um cilindro de vidro, dependendo do ângulo de incidência da luz sobre uma das suas extremidades, podem ocorrer dois fenómenos: se o raio luminoso atinge a extremidade com uma inclinação muito grande, ao atravessar o meio de vidro sofre um desvio de trajectória e escapa ao primeiro contacto com a parede oposta; contudo, se incide de uma posição próxima à do eixo do cilindro, ao atravessar o meio de vidro sofre também uma refracção, mas não atravessa as paredes do cilindro - ao contrário, reflecte-se nela, atinge a parede oposta e, assim, em ziguezagues sucessivos, vai sair pela outra extremidade do cilindro, experimentando apenas uma pequena redução na sua intensidade inicial. Esse fenómeno, denominado reflexão interna total, é utilizado nas fibras ópticas.
Figura 3 – refracção da
luz Quanto ao desempenho, cada fibra óptica tem capacidade equivalente a 400 fios metálicos duplos. Assim, enquanto um cabo com 200 fios de cobre permite a transmissão de 1500 conversas telefónicas. Um cabo com apenas 12 fibras ópticas garante 9600 conversas.
Figura 4 – propagação
da luz À medida que a luz se propaga pela fibra óptica, perde parte da potência devido à absorção de luz na “casca”, bem como imperfeições do material empregado na sua má utilização, por um processo que se chama - atenuação do sinal. A absorção da luz por materiais dentro da fibra, a difusão da luz dentro da fibra e o esgotar-se pouco a pouco de luz do núcleo, também estão envolvidos nesta perda. O grau de Atenuação depende do comprimento de Onda da Luz transmitida. Isto faz com que a transmissão por fibra óptica não seja um meio 100% eficiente. A dispersão é a principal responsável pela limitação da largura de banda do sinal transmitido. Esta dispersão tem causa em sinais digitais (mais comuns em fibras ópticas), um alargamento temporal do sinal óptico, o que resulta na sobreposição de diversos pulsos do sinal. A dispersão é um efeito em que os modos geradores de uma frente de onda de luz são separados quando percorrem a fibra óptica, o que ocasiona a chegada delas à outra extremidade espalhadas em relação ao tempo. Podemos classificar a dispersão do pulso de duas maneiras: Dispersão Intermodal e Dispersão Intramodal. As diferenças dos índices de refracção que permitem à fibra propagar vários modos ou raios de luz, define a dispersão multimodo ou intermodal. As fibras multimodos são mais susceptíveis à dispersão intermodal, observando-se a os vários modos com que os raios de luz percorrem caminhos diferentes a um determinado ponto em tempos distintos. IV – Vantagens e Desvantagens da Utilização de Fibras Ópticas As principais vantagens das fibras ópticas: . Perdas de transmissão muito baixas . Imunidade a interferências e ao ruído . Isolação eléctrica . Pequeno tamanho e peso . Segurança da informação e do sistema . Custos potencialmente baixos . Alta resistência a agentes químicos e variações de temperatura . Alternativa superior aos satélites em sistema de transmissão a longa distancia Desvantagens da utilização das fibras ópticas: . Fragilidade das fibras ópticas sem revestimentos – O manuseio de uma fibra óptica “nua” é bem mais delicado que no caso dos suportes metálicos
. Dificuldades de conexão
das fibras ópticas – As pequenas dimensões das fibras ópticas exigem
procedimentos e dispositivos de alta precisão na realização das conexões
e junções. Impossibilidade de alimentação remota de repetidores - Os sistemas com fibras ópticas requerem alimentação eléctrica independente para cada repetidor, não sendo possível a alimentação remota através do próprio meio de transmissão.
Falta de padronização
dos componentes ópticos - A relativa imaturidade e o contínuo avanço
tecnológico não têm facilitado o estabelecimento de padrões para os
componentes de sistemas de transmissão por fibras ópticas. As poucas desvantagens que se verificam podem, em geral, ser consideradas transitórias, pois resultam principalmente da relativa imaturidade da tecnologia associada. V – Aplicações Devido à imensa variedade de aplicações das fibras ópticas, dispomos em tópicos algumas das áreas onde as fibras ópticas actuam e se tornam vantajosas para o fim das mesmas áreas: . Telecomunicações . Redes e Sistemas LAN (local area networking) em edifícios . Rede TV Cabo . Redes de electricidade, água e gás . WAN (Wide Area Networking) em Campus e Cidades . Redes de Comboio . Controlo de Tráfico . Segurança em Túneis e Auto-estradas . Segurança em áreas Industriais . Controlo Industrial . Controlo e Segurança em Aeroportos . Medicina (equipamentos médicos sobretudo no campo cirúrgico - fibroscópios[3]) . Arqueologia . Conservação e Restauro (estudo de infra-estruturas) . Fins Militares VI – Conclusão Com a migração de tecnologias de rede para protocolos de maiores velocidades passou-se a difundir mais o uso de fibras ópticas para aplicações de rede local. As fibras ópticas conseguiram distinção dentro das mais variadas áreas pelas suas principais características: pela relação qualidade/preço e polivalência. Podemos afirmar que as fibras ópticas são hoje indispensáveis, um produto do avanço tecnológico e são já um marco na história das invenções do Homem. Com este trabalho, mostramos os principais conceitos para se iniciar o estudo sobre fibras ópticas, podendo, assim, acertar na escolha do tipo certo de fibra para sua respectiva aplicação. A escolha do tipo certo de fibra óptica é muito importante. Primeiro, é preciso compreender a sua aplicação, conhecendo suas reais necessidades para, aí então, decidir o tipo de fibra adequado. As dificuldades na realização deste trabalho não foram muito sentidas, uma vez que a informação disponível em catálogos e Internet nos ajudou bastante na sua concretização. Apesar de ainda ser uma utilização na área da tecnologia um pouco recente, sobretudo no nosso país, a informação disponível acerca das possíveis utilizações das Fibras Ópticas encontram-se ao dispor de qualquer consumidor ou interessado no seu estudo. Gostaríamos também de salientar o facto da utilização das fibras ópticas constituir um enorme factor de evolução na tecnologia de redes, que vai futuramente e sem duvida facilitar e melhorar qualitativamente as nossas comunicações. (Ver anexo - documentos) VII – Glossário ACRILATO: O tipo de resina acrílica mais usada como revestimento da fibra óptica. AMPLIFICADOR ÓPTICO: Dispositivo que amplifica sinais ópticos sem a conversão destes em sinais eléctricos. Podem ser usados no meio da linha, como os repetidores, ou ligados ao transmissor ou receptor, aumentando a distância de transmissão sem estações intermediárias, melhorando sensivelmente a segurança dos enlaces ópticos. ATENUAÇÃO: Perda de potência de um sinal ao longo de sua propagação. Em geral é medida em dB ou dB/km. As principais causas de atenuação numa fibra óptica são devidas à absorção por impurezas ou por ião OH-, dispersão por irregularidades na deposição do material, trincas e deformações ou ainda devido a factores externos, como emendas e conexões aos equipamentos. COMPRIMENTO DE ONDA: Distância percorrida num ciclo pela frente de onda. Pode ser calculado pela divisão da velocidade de propagação da onda por sua frequência. DIELÉTRICO: Meio não metálico e não condutor de electricidade. FIBRA ÓPTICA DISPERSÃO DESLOCADA (DS): Dispersion Shifted. Tipo de fibra monomodo em que as condições de dispersão cromática nula foram deslocadas da janela de 1310 nm para a janela de 1550 nm, onde as perdas de transmissão são menores. FIBRA ÓPTICA MONOMODO (SM): Single Mode. Tipo de fibra óptica na qual apenas um modo se propagará, fornecendo o máximo em largura de banda. Tem que ser utilizada com fontes de luz laser. Tem menor atenuação e portanto pode transmitir sinais a grandes distâncias. É a fibra padrão ou standard para telecomunicações. FIBRA ÓPTICA MULTIMODO (MM): Multi Mode. Tipo de fibra óptica que permite que mais de um modo se propague, apresentando normalmente altas taxas de atenuação. Não necessita de fonte de luz coerente, tornando os transmissores e receptores mais baratos que os monomodo. São excelentes soluções para redes de dados em distâncias de até apenas alguns quilómetros. ÍNDICE DE REFRAÇÃO: Propriedade de um meio de transmissão óptico, correspondente à proporção entre a velocidade da luz no vácuo e a sua velocidade no meio de transmissão JUMPER: Pequeno lance de cordão óptico, conectorizado nas duas pontas. Usado para a conexão de equipamentos ópticos LAN (Local Area Networking) – Em computação, LANs (ou redes locais, ou redes privadas) são redes utilizadas na interconexão de equipamentos processadores com a finalidade de troca de dados. Tais redes são denominadas locais por cobrirem apenas uma área limitada (10 km no máximo), visto que, fisicamente, quanto maior a distância de um nó da rede ao outro, maior a taxa de erros que ocorrerão devido à degradação do sinal. LARGURA DE BANDA: Expressa a quantidade de informações que um sistema tem capacidade de transportar. Em sistemas analógicos, é a diferença entre as frequências máxima e mínima que podem ser transportadas. Exemplo: canais de voz que transportam sinais de 300 a 3000 Hz tem largura de banda de 2700 Hz. Em sistemas digitais, é a máxima frequência de operação. Exemplo: Sistemas STM-16 tem largura de banda de 2,5 Gbit por segundo. LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiance. Fonte de luz coerente com estreita largura de banda espectral. LOOSE: Tipo de construção de cabos ópticos, onde as fibras não estão fisicamente vinculadas ao elemento de tracção do cabo. Normalmente as fibras ficam soltas dentro de tubetes plásticos cordados em torno de um elemento central. NÚCLEO: A parte central de uma fibra óptica onde é confinada toda a luz, por apresentar índice de refracção mais alto que o revestimento que o envolve. PIGTAIL: Pequeno cordão óptico, conectado numa das pontas e terminado num pedaço de fibra nua na outra. É usado para a ligação de equipamentos ópticos. RECEPTOR ÓPTICO: Equipamento opto-electrónico que recebe um sinal óptico e o converte para um sinal eléctrico equivalente. REDE DE BANDA LARGA: Rede com capacidade de transportar uma enorme quantidade de informações ao mesmo tempo, em sinais de voz, vídeo e dados em alta velocidade. REVESTIMENTO COLORIDO: Revestimento pigmentado de uma fibra óptica com o objectivo de identificação. REVESTIMENTO PRIMÁRIO: Revestimento de protecção de uma fibra óptica, mais comummente feito de acrilato. É aplicado em dupla camada logo após o processo de estiramento. O revestimento primário evita a formação de microcurvaturas, causadoras de atenuação e confere resistência mecânica à fibra. REVESTIMENTO SECUNDÁRIO: Revestimento aplicado, durante a fabricação do cabo óptico, sobre uma ou várias fibras, como protecção mecânica. TIGHT: Tipo de construção de cabos ópticos onde as fibras são fisicamente vinculadas ao elemento de tracção do cabo. TRANSMISSOR ÓPTICO: Equipamento electro-óptico que recebe um sinal eléctrico e o converte para um sinal óptico equivalente, pronto para ser propagado por uma fibra óptica. WAN (Wide Area Networking) – Rede de área alargada ou Rede de longa distância, também conhecida como Rede geograficamente distribuída, é uma rede de computadores que abrange uma grande área geográfica, com frequência um país ou continente. A maior WAN que existe é a Internet. VIII – Bibliografia Pesquisa Bibliográfica: . Ontem e Hoje; Física e Química-11º ou 12º (2ºano) – Bello, Adelaide e Caldeira, Helena. Pesquisa na Internet: . http://www.sff.net/people/Jeff.Hecht/chron.html . http://br.geocities.com/salade física . http://gl.wikipedia.org/wiki/Fibra_%C3%B3ptica . http://www.lucalm.hpg.ig.com.br/vantagens.htm Outros Recursos: . CD de apresentação e alguns catálogos da empresa FIBEROPT, materiais cedidos pelos responsáveis da própria empresa. IX - Anexos
Anexos – vídeo Texto: “ O objectivo desta experiência é construir um sistema em que uma coluna de água conduza luz de forma curva, em que seja demonstrado o fenómeno da reflexão total. Quando um raio de luz se propaga num meio com determinado índice de refracção e tenta atravessar para outro meio com um índice de refracção menor do que ele já se vinha propagando, parte da luz será refractada e outra reflectida. A água escoa do furo feito numa garrafa iluminado por uma lanterna que conduz raios de luz emitidos pela lanterna durante a trajectória. Colocando a mão no final do feixe de água que sai da garrafa, observa-se uma luminosidade de espessura do feixe de água. Pode concluir-se então que o feixe de água conduz a luz até à mão. Este é o mesmo princípio utilizado pela condução de luz dentro da fibra óptica.” Anexos – documentos 1) ONI passa a utilizar Fibras Ópticas
“8 Fevereiro 2002 Fonte: http://www.oni.pt/comunicadosDetalhe.aspx?comID=1790 2) PT (Portugal Telecom) apoia a utilização de Fibras Ópticas “Comunicações Ópticas Avançadas (ITC003) A evolução das redes de telecomunicações está a fazer-se em várias direcções. Uma linha de desenvolvimento que terá um grande impacto, ao permitir as larguras de banda exigidas por alguns serviços e aplicações, será a das fibras ópticas. Ao participar neste curso terá uma melhor percepção da dimensão das oportunidades que esta tecnologia irá trazer ao mercado das telecomunicações no futuro, e a perspectiva da evolução das futuras infra-estruturas fixas de telecomunicações.” Fonte: http://www.ptinovacao.pt/formacao/cursos.asp?cc=ITC003 3) Portugal – Cisco Systems “Notícias
É preciso ter fibra Até 2007, milhões de lares estão cobertos, com a promessa de serviços multimédia nunca antes praticados. Entre 2001 e 2002, Portugal viu aumentar a extensão da sua rede de fibra óptica em 150 mil quilómetros, para os 486 mil. Hoje, PT, ONI e Novis controlam as maiores redes nacionais. A TV Cabo e a Cabovisão prosseguem no ranking, ainda que de longe, com redes próprias para transmissão de conteúdos televisivos. Nos últimos quatro anos, a Novis investiu mais de 110 milhões de euros na construção da rede, com uma espinha dorsal de 3.500 quilómetros e mais de 500 quilómetros de redes metropolitanas. Focada no mercado empresarial e na venda de capacidade, a telecom do grupo Sonae tem mais de 200 edifícios ligados, capacidade alugada a mais de 50 operadores nacionais e estrangeiros e faz correr todo o tráfego do universo Sonaecom sobre a infra-estrutura. De acordo com Pedro Carlos, administrador executivo da Novis, a rede disponibiliza uma série de ferramentas baseadas em IP (internet protocol) e está presente em quase todos os distritos do País. “ Fonte: http://www.cisco.com/global/PT/noticias/050114.shtml Anexos de imagens
Fig.5 – os dois tipos
de revestimento secundário de uma fibra óptica
Fig. 6 – Tipos de
fibras ópticas
Fig.7 – Perfis de índice de Refracção e Dimensões [1] (meados/fins do séc. XIX - reinado de Vitoria). O estilo vitoriano caracteriza-se pela riqueza e conforto excessivos, reflexo da grande euforia e prosperidade económica sentida na época. [2] Instrumento de endoscopia (Exame de uma cavidade interna do corpo) que se destina ao exame do estômago. [3] Endoscópio flexível que transmite imagens do interior do organismo através de fibras ópticas para examinar as cavidades interiores do corpo, tais como o estômago e a bexiga. Outros Trabalhos Relacionados
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