Eletromagnetismo no Ensino Médio

 Os alunos construíram um motor elétrico em aula e tiveram oportunidade de manipular e realizar uma série de observações com o aparato. Propus algumas questões para discussão após o experimento, que foram respondidas por eles, em pequenos grupos, com a ajuda das suas montagens. O trabalho, então, é mais direcionado e espera-se verificar o que os alunos compreendem sobre:
▪ as partes que compõem um motor elétrico.
▪ a função de cada uma das partes para o funcionamento do motor.
▪ os conceitos de eletricidade e magnetismo presentes, justificando o funcionamento do
motor.
▪ o sentido da força e o sentido da movimentação da bobina.
Ao final dessa atividade o aluno ensaia produzir uma definição de motor elétrico, o queé um passo difícil, mas que sinaliza para o professor o quanto o aluno foi capaz de, até o momento, sintetizar o que ele aprendeu.
Obs. As respostas apresentadas a seguir foram dadas para guiar o professor – são as respostas que considero corretas. Os alunos estão em fase de prendizado e o uso adequado dos termos específicos faz parte desse aprendizado. Enquanto os alunos estão discutindo e respondendo as questões, o professor tem a oportunidade de passar nos grupos e auxiliá-los a usar esses termos na produção de suas explicações.

Questões

1. O motor funciona sem o ímã?
Não, é preciso que a bobina (condutor) esteja mergulhada no campo magnético de um ímã. O motor funciona através da interação entre  campo magnético e corrente elétrica.

2. O motor funciona sem corrente?
Não, se não há corrente no fio de cobre, verifica-se que o campo magnético não exerce nenhuma ação sobre a bobina. Se o fio for ligado a uma pilha, de modo que uma corrente contínua seja nele estabelecida, imediatamente a bobina começa a girar. Isso indica que sobre ela atua uma força magnética (exercida pelo campo magnético) perpendicular ao fio. Esse movimento, no entanto, não completa uma volta.

3. Em metade do percurso de rotação da bobina, não há corrente elétrica passando nela.  Não havendo corrente, não há força.  E mesmo assim há movimento... Não parece contraditório com a informação acima?
Não. Esse movimento acontece por inércia (“o que está em movimento tende a continuar em movimento”). Mas como há atrito, o giro pararia se na outra metade do percurso, não houvesse passagem de corrente elétrica na bobina.  Quando volta a passar corrente, a força reaparece, fazendo-a girar no mesmo sentido, fazendo com que ela permaneça em rotação, enquanto estiver sendo percorrida pela corrente. Para conseguir esse efeito, em uma das extremidades do eixo da bobina ficou uma faixa esmaltada.

4. O funcionamento do motor depende da posição do ímã?
Sim, as posições dos pólos N-S do ímã nos indicam o sentido do giro da bobina, que é o mesmo sentido das linhas de indução do campo magnético.

5. Qual a direção e o sentido da força magnética, gerada pela passagem da corrente
elétrica? Como se explica?
A direção é perpendicular. Como a corrente tem em cada lado da bobina, sentidos diferentes, consequentemente, a força em cada lado também vai ter sentidos diferentes.
a. usando a regra da mão direita podemos verificar que a bobina vai sofrer uma força magnética para cima no lado AB (se o N da bobina estiver voltado para o S do ímã) e para baixo no lado CD, pois o sentido da corrente em CD é oposto ao de AB. É fácil perceber, então, que essas 2 forças farão a bobina girar.
▪ o polegar indica a força F que atua em um fio, percorrido por uma corrente (i), indicada pelo indicador, colocado em um campo magnético B, indicado pelo dedo médio.
▪disponha sua mão de modo que o indicador aponte na direção e no sentido da corrente (convencional) no fio, o dedo médio indicará o campo magnético B e o polegar a direção e o sentido das linhas de indução do campo magnético.
b. após a espira efetuar meia volta, o lado AB estará ocupando a posição CD e vice- versa.
c.estas forças, aliás, vão ter sempre o mesmo sentido – o que, na prática, vai impedir a
rotação da espira num só sentido.

6. Qual o sentido da movimentação da bobina?
As posições dos pólos N-S do ímã nos indicam o sentido do giro da bobina, que é o mesmo sentido das linhas de indução do campo magnético. O sentido, portanto, depende do sentido da corrente e do campo, podendo ser determinado pela regra da mão direita.

7. O que acontece com o sentido de rotação da bobina, quando se invertem os pólos do ímã? Explique.
A bobina passa a girar em sentido contrário. Observa-se que o sentido da força na bobina é invertido, quando invertemos as posições dos pólos N e S do imã: inverte-se o
sentido das linhas de indução do campo magnético. Assim, a bobina inverte o sentido de rotação.

8. O que acontece com o sentido de rotação da bobina quando se invertem as ligações nos pólos da pilha? Explique.
A bobina passa a girar em sentido contrário. Se o sentido da corrente no fio for invertido observamos que a força magnética continuará a atuar perpendicularmente
ao fio, mas em sentido contrário ao anterior, dirigida para baixo (use a regra da mão direita – ver experimento do eletroímã). Assim, a bobina inverte o sentido de rotação. Mas, se os pólos da pilha e os pólos do ímã forem invertidos, simultaneamente, o sentido do giro não se altera.

9. Por que a bobina gira, quando o circuito elétrico é fechado?
A corrente elétrica gera um campo magnético perpendicular ao plano da espira (o sentido do campo magnético depende do sentido da corrente), que interage com o campo magnético do ímã permanente. A bobina sofrerá um deslocamento, porque sobre ela atuou uma força magnética (exercida pelo campo magnético perpendicular da bobina, e dirigida para cima, se o N da bobina estiver voltado para o S do ímã). Isto produz uma movimentação contínua que faz a bobina girar.

10. Quantas “fontes” de magnetismo você observou? Quais?
Duas. Campo magnético do ímã e o campo magnético gerado pela corrente elétrica da bobina.

11. O que é um motor elétrico?
É um dispositivo que utiliza a interação de um campo magnético com a corrente elétrica, para produzir movimento de rotação. Com esse movimento de rotação realiza- se trabalho.

Ver o planejamento de Eletromagnetismo

Ver o experimento do motor elétrico