Eletromagnetismo no Ensino Médio

Introdução

Esta é uma atividade experimental que pode ser utilizada tanto para uma avaliação diagnóstica dos alunos no início de um curso de eletromagnetismo, quanto para identificar o que o aluno aprendeu durante esse curso. Nesse experimento o aluno não enxerga parte da montagem (que fica dentro das caixinhas) que causa o efeito magnético que queremos explicar.
É uma evidência do efeito magnético que é percebido pela bússola próxima de cada uma das três caixinhas magnéticas que guardam um segredo dentro delas. Este segredo só poderá ser desvendado através do verdadeiro conhecimento do eletromagnetismo.

Conteúdo

Corrente elétrica, circuito fechado, Magnetismo, campo magnético e materiais ferromagnéticos.

Objetivo

Comparar o efeito magnético de um ímã, uma corrente elétrica e um eletroímã.

Material para montagem

Utilizar para cada circuito: fios de cobre, pilhas, caixinhas para ocultar os elementos em investigação..
Dentro das caixinhas deve caber ímã ou eletroímã e algum material (arroz, massa de modelar) para manter o mesmo peso em cada uma delas.

3- Construção dos circuitos

Construir o circuito utilizando as pilhas e fios (circuito simples), sendo que a caixinha deve parecer fazer parte do circuito. A caixinha vai servir para esconder um elemento importante do estudo do Eletromagnetismo, que queremos que o aluno reconheça através do seu efeito magnético. Estes elementos são um pedaço do fio do próprio circuito, um ímã e um eletroímã.
Deverão ser três circuitos com uma caixinha em cada um. Os materiais deverão ficar fixos dentro de cada caixinha.

Cada circuito deverá ter uma caixinha onde devemos ter a seguinte situação:
- 1ª caixinha: o fio que faz parte do circuito
- 2ª caixinha: ímã
- 3ª caixinha: eletroímã
 
Conclusões dos efeitos elétricos e magnéticos da 1ª caixinha

Estes circuitos poderão conter uma lâmpada e uma chave. É interessante ter uma lâmpada no circuito, pois conseguimos perceber se existe corrente no circuito, no entanto, com a resistência da lâmpada a corrente elétrica tem menor intensidade e como consequência teremos um campo magnético também de menor intensidade em todo o circuito. O efeito do campo magnético na agulha de bússola será menor e mais difícil será perceber esses efeitos magnéticos. A vantagem do uso da lâmpada é que a pilha dura mais tempo, isto é, gasta menos energia.

Conclusões dos efeitos elétricos e magnéticos da 2ª e 3ª caixinhas:

Quando colocamos uma chave no circuito, podemos controlar melhor e abrir e fechar do circuito, o que pode facilitar a visualização do efeito magnético que queremos observar na agulha da bússola.

Dicas de montagem

Estes experimentos deverão ser feitos de maneira organizada e rápida para evitar gasto muito grande e rápido das pilhas. Os alunos deverão fazer as observações e anotações referentes aos experimentos de modo que tenham uma sequência de anotações que dê conta de responder as questões propostas.

Barreiras conceituais

Os alunos costumam não associar os efeitos elétricos com os efeitos magnéticos e o uso da bússola está relacionado apenas com a indicação do norte.

Análise do experimento

Esta é uma atividade interessante para um final do curso do Eletromagnetismo, pois cria uma situação onde o aluno pode levantar hipóteses para tentar descobrir o que tem dentro da caixinha que faz parte do circuito. Isso acontece através do efeito magnético de elementos importantes que foram estudados neste curso, como um fio percorrido por corrente, ímã e eletroímã.
Para tentar descobrir o que há dentro da caixinha o aluno pode fazer diferentes observações, como comparar o peso de cada caixa, balançar a caixa para tentar escutar o som produzido pelo que dentro. Mas para realmente definir o que tem dentro de cada caixa ele deve fazer as seguintes observações:
 
1ª caixinha
Na primeira caixinha temos o fio condutor por onde passa corrente elétrica, o que gera um campo magnético ao redor da caixa. Esse campo pode ser percebido utilizando uma bússola. O aluno deve saber que, se a corrente é constante a agulha da bússola vai permanecer numa determinada posição que é tangente as linhas de campo. Podemos notar, com mais facilidade a presença deste campo magnético, quando variamos a corrente elétrica no circuito, isto é, abrindo e fechando o circuito. Nesta situação a agulha da bússola vai se movimentar, mostrando que ora existe o campo magnético do fio (campo magnético resultante do fio e da Terra) e ora temos somente o campo magnético da Terra.  Esta é uma atividade importante para verificar se o aluno consegue utilizar a bússola para perceber se existe campo elétrico quando temos corrente elétrica em um circuito fechado, e como podemos perceber esse campo na região próxima ao fio.

2ª caixinha
Nesta situação temos um ímã dentro da caixinha. O aluno deverá usar a bússola para perceber que existe campo magnético em torno da caixinha. Ele deve aproximar a bússola da caixa e perceber que neste caso acontece a atração da agulha da bússola pelos pólos do ímã. Ele deverá conseguir perceber uma modificação do espaço ao redor do ímã de modo que a posição da agulha varia, pois ela fica numa posição que tangencia as linhas de campo formadas pelo ímã.

3ª caixinha
A caixa 3 vai conter o eletroímã. O aluno deve utilizar a bússola para perceber a existência do eletroímã. Deve colocar a bússola em diferentes posições próximo da caixinha para perceber o que acontece com a posição da agulha da bússola neste caso. O esperado é que o aluno perceba que mesmo quando o circuito estiver fechado, vai existir um campo magnético produzido pelo prego colocado dentro do eletroímã. Vai haver uma atração da agulha da bússola pelas duas extremidades do prego, por ser um material ferromagnético. Fechando o circuito teremos um campo mais intenso, e neste caso vai existir a polaridade do eletroímã que pode ser percebido através da bússola. Esse campo magnético pode ser "desligado", o que diferencia do campo magnético do ímã. Este é um fator importante para perceber se o aluno reconhece esse diferencial entre o ímã e o eletroímã.

Observação:
O aluno poderá utilizar a bússola para mapear a região em torno da caixinha nas três situações; ele deverá ter argumentos e fazer hipóteses para explicar a posição da agulha da bússola em cada uma das três caixinhas.

Roteiro de tomada de dados para determinar o conteúdo das caixas

Procedimentos

Apresentação aos alunos dos três circuitos elétricos contendo as caixinhas com efeitos magnéticos, sem conhecer o que tem dentro delas.
Fazer uma apresentação dos circuitos aos alunos, dando uma explicação sobre a sua construção, mas sem falar quais são os elementos que tem dentro das caixinhas. Falar que devem perceber o efeito magnético que acontece próximo da caixa com o objetivo de perceber o que tem dentro da caixinha (indicar que a caixa é o objeto).
Formar grupos de alunos, fornecer os três circuitos para responder as perguntas através de análise sobre o que foi observado.
No experimento os alunos deverão ser orientados para fazer anotações do que foi realizado no experimento de modo que consigam justificar suas respostas. 
 
Perguntas que poderão ser feitas aos alunos antes de começar o experimento:
1- Como podemos perceber o efeito magnético na região próximo da caixinha?
A bússola deve ser fornecida aos alunos logo que responderem a questão.
2- Porque usar a bússola para perceber o campo magnético?
3- Como usar a bússola?

Perguntas que poderão ser feitas aos alunos durante o experimento em cada uma das três situações com as caixinhas:
4- Onde devemos colocar a bússola para perceber o campo magnético?
5- O que tem dentro da caixinha que provoca o efeito magnético percebido pela bússola?
6- Todas as caixinhas apresentam o mesmo campo magnético?
7- O que diferencia o campo magnético de uma caixinha para a outra?
8- Como podemos saber o que tem dentro da caixa através do campo magnético? Por quê?
9- Precisamos abrir o circuito para perceber efeito magnético? Por quê?
10- O circuito precisa ficar fechado para perceber o campo magnético? Por quê?

Discutir as respostas dos grupos para chegar a uma conclusão sobre o que dentro das caixinhas que produzem determinados efeitos magnéticos.