Eletromagnetismo no Ensino Médio

Introdução
Ao aproximarmos 2 ímãs, os pólos de mesmo nome se repelem e os de nomes diferentes se atraem. A agulha de uma bússola sendo um ímã pode mudar de direção quando dela aproximarmos outro ímã.

Com esta experiência, vamos ver uma outra maneira de modificar a direção da agulha de uma bússola.
Em experiências anteriores, vimos que imãs interagem com outros imãs e com materiais ferromagnéticos.

A corrente elétrica produz efeitos magnéticos. A bússola pode ser utilizada como um detector de campo magnético. Vamos descobrir, com esta experiência, que a bússola não interage com cargas elétricas estacionárias, mas sofre influência, quando estas cargas estão em movimento (corrente elétrica). Assim, o movimento da agulha indica a presença de outro campo magnético na região (além daquele criado pela Terra e que é responsável pela orientação natural da agulha). Esse outro campo magnético ao redor do fio, sentido pela bússola, só aparece quando há corrente elétrica.
O efeito magnético da corrente elétrica foi descoberto por um professor de Ciências dinamarquês Hans Christian Oersted. Empurrando casualmente uma bússola para perto de um fio ligado a uma bateria, observou que, em vez de apontar para o Norte, a agulha magnética oscilou, formando um ângulo reto com o fio. Desligando a corrente, a agulha voltava para o Norte.
Assim, Oersted descobriu que a eletricidade possuía poder magnético:

A corrente elétrica cria campo magnético que atua sobre um imã como se ela mesma
fosse um outro ímã.

Objetivos
1. Verificar o comportamento magnético da corrente elétrica.
2. Identificar a interação entre corrente elétrica e uma bússola.
3. Identificar a influência da corrente elétrica na orientação da agulha da bússola.
4. Caracterizar a posição relativa entre o fio e a agulha da bússola.

O que se usa?
Por grupo de alunos:

1 pilha 1 bússola 1 lâmina de barbear ou estilete 1 folha de papel branco fita adesiva 40 cm de fio de cobre esmaltado ou encapado

Cronograma: duas aulas, talvez uma terceira para a discussão teórica do fenômeno.

Procedimento:
Os alunos devem se organizar em grupos de 3 a 5, e cada grupo terá um conjunto experimental.

1. Raspar as pontas do fio para retirar o verniz e permitir o contato elétrico (ou, no caso de fio encapado, desencapar as pontas). 2. Prender uma folha de papel sobre a mesa e apoiar sobre ela uma bússola. Girar a bússola até que agulha marque na direção Norte-Sul geográfica. 3. Estender sobre a bússola um fio de cobre na direção indicada pela agulha (que será a Norte-Sul da Terra) e fixá-lo à mesa com o auxílio de fita adesiva.

4. Colocar a pilha a cerca de 30 cm da bússola, no alcance máximo do fio condutor. 5. Em seguida, ligar as extremidades do fio à pilha, por um curto intervalo de tempo. Observar o que acontece com a agulha da bússola. 6. Com uma seta, marcar no papel: o sentido da corrente elétrica (a corrente sempre flui do pólo positivo ao negativo), o sentido em que a agulha se move (horário ou anti-horário) e com um traço, a direção assumida pelo pólo Norte magnético da bússola.

7. Inverter os pólos da pilha. Qual foi o sentido da agulha quando se inverte o sentido da corrente elétrica? Marcar no papel o sentido da corrente elétrica, o sentido em que agulha se move e, com um traço, a direção assumida pelo pólo Norte magnético da bússola.

ATENÇÃO
Essa ligação põe a pilha em curto circuito, então ela gasta muito rápido!
"A pilha esquenta!" É verdade. A pilha esquenta porque o circuito está em curto, então o único "resistor", que dissipa toda a corrente, é a própria resistência interna da pilha.

CUIDADO
Liga-se o circuito apenas durante os instantes em que são feitas as observações.
A pilha não deve permanecer ligada por mais de 5 segundos seguidos para não descarregar, porque a corrente elétrica que percorre o circuito é muito alta, pois a pilha está em curto-circuito, o que faz com que ela seja consumida rapidamente, se o circuito permanecer ligado.
Por que manter a pilha longe da bússola? Peça aos alunos fazerem o teste de colocar a pilha (mesmo sem ligar o circuito) perto da bússola. O aço da blindagem da pilha tem propriedades magnéticas, e atrai (e é atraído) pela bússola. Pelo mesmo motivo, quaisquer materiais ferromagnéticos devem ser mantidos a distância. Por exemplo, o aluno que estiver manipulando diretamente a montagem pode fazer testes preliminares para se certificar de que o seu relógio de pulso, anel, ou molho de chaves no bolso não estaria desviando a agulha.

O que pode dar errado
Com exceção do mau contato nas ligações ou da pilha estar muito gasta, não há o que se possa dar errado nesta experiência.

O que se observa?
A agulha sofre um desvio, como se estivesse próxima ao pólo de um imã. Alunos devem notar que esse desvio se dá para a direção perpendicular à do fio (uma concepção muito comum - inclusive dos cientistas da época de Oersted - é de que a agulha da bússola vai se alinhar com o fio).
Dica: Para que os alunos percebam esse importante detalhe, pode-se fazer uma etapa prévia em que os alunos devem descobrir qual a direção do campo magnético gerado pela corrente elétrica: coloca-se um fio condutor em várias direções em relação à agulha da bússola, e liga-se o circuito, observando o que ocorre com a agulha. Nesse caso, no entanto, recomendamos que o fio não seja ligado em curto com a pilha (insere-se no circuito uma lâmpada, por exemplo), para que a pilha não gaste muito rápido.

Dica importante
Quando a pilha está gasta (ou se você põe uma lâmpada no circuito, para gastá-la menos), a intensidade da corrente elétrica é pequena, por isso a agulha não fica perpendicular ao condutor. O campo magnético gerado não é suficientemente grande e deixa aparecer o efeito do campo magnético terrestre. A direção da bússola será composta da direção dos 2 campos: traça-se o sistema de força angular (a força do campo magnético terrestre e a força perpendicular ao fio), obtendo-se, assim, a resultante.

Como funciona?
1. Uma corrente elétrica atua sobre um imã como se ela mesma fosse um outro imã.
2. Um condutor retilíneo, percorrido por uma corrente elétrica contínua, gera em torno de si, um campo magnético circular.
3. As linhas de força desse campo são circunferências concêntricas, cujo centro é o condutor.

Por exemplo: se corrente i for perpendicular ao plano da figura, entrando no papel: o campo magnético será formado por linhas concêntricas no sentido horário. (Invertendo-se a corrente, as linhas de campo magnético serão no sentido anti-horário.)

Como se explica?
A corrente elétrica age sobre a bússola da mesma forma que o imã, ou seja, a corrente elétrica produz efeito magnético.
A agulha de uma bússola movimenta-se quando colocada próxima a um fio com corrente elétrica, devido a outro campo magnético ao redor do fio.
O movimento da agulha indica ação de uma força (outro campo magnético) sobre ela, atuando na direção perpendicular ao fio, quando existe corrente elétrica.

O que se conclui?
a. O campo magnético gerado pela corrente elétrica interfere na orientação da bússola.
b. A agulha acompanha o sentido do campo magnético, dado pela regra da mão direita: agarre o condutor com a mão direita, de modo que o polegar esticado aponte o sentido da corrente elétrica. Os demais dedos, dobrados, indicam o sentido do campo magnético ao redor do fio.

Princípio fundamental do eletromagnetismo
- um campo magnético é criado por cargas elétricas em movimento, e esse campo somente atua em outras cargas elétricas, exercendo forças sobre elas, se essas cargas também estiverem em movimento.
- se invertermos o sentido da corrente a posição dos pólos N e S do ímã, a força magnética continuará a atuar perpendicularmente ao fio, mas, inverte-se o sentido das linhas de indução do campo magnético.

OBS. Condução da aula após o experimento (convite ao raciocínio e à construção dos conceitos)

Ver condução da aula a partir deste experimento...

Avaliação

A avaliação contínua poderá ser realizada durante a discussão decorrente do experimento. Uma avaliação escrita, mais formal, também foi planejada para verificar o aprendizado e as dúvidas remanescentes dos alunos, a ser aplicada após esta aula experimental, uma aula de discussão desse experimento e outra aula experimental também com discussão posterior.

Como aumentar o efeito da corrente elétrica sobre a bússola

Condução da aula após o experimento