Objetivo
Realizar uma avaliação final dos conhecimentos
de eletromagnetismo dos alunos através das hipóteses e testes
que estes fazem para descobrir o conteúdo de três caixas
de aparência externa idênticas e que contêm elementos
diferentes em seu interior: um ímã, um fio que faz parte
de um circuito simples e um eletroímã.
Material
- 3 caixas iguais externamente (podem ser 3 caixas de fósforo,
três caixas de filme fotográfico, etc.)
- 1 imã
- 3 pedaços de fio de cobre encapado - dois com 35 cm e um com
44 cm de comprimento
- 1 eletroímã: 1 parafuso de 2 cm com fio de cobre enrolado
com 9 voltas
- 3 lâmpadas de 3 V
- 3 interruptores
- 6 pilhas de 1,5 V
- 3 suportes para pilhas
- 1 bússola
Montagem
a. Furar os 2 lados das 3 caixas, com um diâmetro que dê para
atravessar o fio de cobre encapado.
b. Numerar as 3 caixas: 1 - 2 e 3 respectivamente.
c. Na caixa 1 montar o circuito passando o fio de cobre pelos furos da
caixa, colocando 1 lâmpada, 2 pilhas com suporte e 1 interruptor.
d. Dentro da caixa 2 colocar um imã, 1 fio de cobre cortado preso
com fita adesiva no ímã passando pelos furos da caixa. Montar
o circuito com 1 lâmpada, 2 pilhas com suporte e 1 interruptor.
Obs.: o fio de cobre está cortado para que o circuito fique aberto,
mesmo usando o interruptor, mas a montagem dá a impressão
de que o circuito pode ser fechado pelo interruptor.
e. Montar 1 eletroímã com o fio de cobre esmaltado, dando
9 voltas no parafuso, colocá-lo dentro da caixa 3 e montar também
o circuito com 1 lâmpada, 2 pilhas com suporte e 1 interruptor.
Dicas: 1. Preencher todo espaço das 3 caixas
com algodão para que ao balançar as caixas
não dê para identificar o que tem dentro.
2. Fazer com que o peso das 3 caixinhas fiquem aproximadamente iguais,
preenchendo com chumbinho ou outro material.
.
Sugestão para trabalhar com os alunos - Desafio
"Vocês têm 3
caixas aparentemente iguais. Vocês terão que descobrir o
que tem dentro de cada caixa usando os conceitos de eletromagnetismo."
Recursos:
- balança digital
- audição: balançar as caixas
- bússola
Figura 1 - Interruptor desligado
Figura 2 - Interruptor ligado
A. Usar o conceito de circuito aberto e fechado. Verificar
o que acontece com a lâmpada em cada caso, com o interruptor fechado:
Caixa 1 - lâmpada acende - existência de corrente
elétrica
Caixa 2 - lâmpada não acende
Caixa 3 - lâmpada acende - existência de corrente elétrica
B. Observar o campo magnético com a bússola,
fazer o mapeamento e analisar.
Momento 1 - analisar
com circuito aberto
Caixa 1 - agulha da bússola não sofre
desvio além do devido ao campo magnético terrestre (não
há campo magnético sendo gerado de dentro da caixa).
Caixa 2 - desvio da agulha da bússola
- presença de outro campo magnético.
Quando a bússola é colocada em um dos lados da caixa, o
polo S da agulha é atraído e no outro lado da caixa, o polo
N da agulha que é atraído.
Caixa 3 - agulha da bússola não sofre desvio, além
do devido ao campo magnético terrestre (não há campo
magnético sendo gerado de dentro da caixa).
Momento 2 - analisar
com circuito fechado
Caixa 1 - a lâmpada acende e há pequeno
desvio - presença de outro campo magnético - este campo
não se comporta como o campo ao redor do ímã.
Caixa 2 - o circuito está aberto (a lâmpada não
acende).
Caixa 3 - a lâmpada acende e o desvio é bem maior
- presença de outro campo magnético. Quando a bússola
é colocada em um dos lados da caixa, o polo S da agulha é
atraído e do outro lado da caixa, é o polo N da agulha que
é atraído.
C. Alguns esclarecimentos: os alunos deverão ser
capazes de diferenciar o campo magnético gerado nas três
caixas. Deve-se perceber que um dos campos se comporta como o campo ao
redor de um fio e que os outros dois se comportam como campo ao redor
de um ímã. As linhas de campo ao redor de um eletroímã
são iguais às linhas de campo ao redor do ímã.
Recordando alguns conceitos:
Usar a regra da mão direita, analisar as linhas
de campo e desenhar.

Linhas de Campo ao redor do fio
Um condutor retilíneo percorrido por uma corrente de intensidade
i gera um campo magnético circular, com centro no próprio
condutor, cujo vetor campo magnético tem a direção
e o sentido dados pela regra da mão direita.

Linhas de Campo ao redor do ímã

Linhas de Campo ao redor do eletroímã
A configuração das linhas de campo de
um solenóide de muitas espiras é idêntica à
de um imã em forma de barra. Por isso dizemos que o solenóide
é um eletroímã.
Convite ao raciocínio
1. Como é que eu tenho certeza de que realmente
há um campo magnético?
Para detectarmos se há campo magnético
podemos utilizar uma bússola como aparelho detector. Se houver
campo magnético, ao aproximarmos a bússola da caixa, sua
agulha apresentará um desvio de sua posição natural.
Por isso, a bússola serve como detector de campo magnético.
(Cuidado: como a agulha da bússola é um ímã,
ela também sofrerá deflexão se houver material ferromagnético
dentro da caixa.
2. Por que ocorre deflexão da agulha da bússola?
Devido à presença de algum material
ferromagnético ou um campo magnético gerado pela corrente
elétrica ou por um ímã.
3. Como você pode verificar a polaridade do campo
magnético?
Fazendo o teste de repulsão e atração.
Pode-se, então, verificar que cada lado de um material ferromagnético
tem uma polaridade distinta, ou seja, um lado será o N e o outro
lado o S.
4. Qual outro teste você pode utilizar para diferenciar
uma caixa da outra?
Outro teste que se pode fazer é o das linhas
de campo. As linhas de campo ao redor de um fio que conduz eletricidade
são circulares e estão sobre um plano perpendicular ao fio,
no ímã e no eletroímã, as linhas têm
outro aspecto (mostrado no item C). Além disso, o campo do eletroímã
só é perceptível com o circuito fechado, enquanto
que o do ímã é perceptível sempre.
5. O que o mapeamento do campo magnético pode nos
fornecer?
Informações sobre a interação
entre dois corpos magnetizados e diferenciação entre os
tipos de campo magnético ao redor da caixa (se é como um
campo ao redor de um fio ou de um ímã).
6. Com os circuitos das caixas desligadas, o que você
pode perceber?
Não consigo qualquer efeito magnético
nas caixas 1 e 3. Certeza: não existe ímã natural
no interior dessas caixas, porque em caso contrário a bússola
seria atraída pelo campo do imã. Só na caixa 2 percebo
que a bússola sente um outro campo magnético, logo existe
um ímã ali.
7. Teste: ligando as caixas a uma fonte externa. O que
acontece?
Agora, a bússola sente outro campo magnético
nas caixas 1 e 3. Caixa 2 apresenta o mesmo efeito. Então, posso
pensar que o interior das caixas 1 e 3 podem conter um fio condutor ou
uma bobina porque a corrente elétrica gera um campo magnético
e a bobina funciona como um eletroímã.
8. Pelo efeito produzido, você pode determinar qual
caixa contém o fio condutor e qual a bobina? Justifique.
Sim. Na caixa 1 o desvio da agulha da bússola
foi menor, portanto, posso concluir que tem apenas 1 fio condutor. Também
podemos verificar que as linhas de campo na caixa 1 são coerente
com um fio condutor e não com um ímã. Na caixa 2
há uma bobina, pois a intensidade do campo é maior e seu
formato é o mesmo do campo ao redor de um ímã.
9. Você descobriu o que há nas 3 caixas? Identifique.
caixa 1 - 1 fio condutor
caixa 2 - 1 ímã
caixa 3 - 1 eletroímã
10. Qual ou quais efeitos foram determinantes na identificação
do que havia nas 3 caixas?
O teste da intensidade e forma do campo magnético.
O teste da corrente elétrica gerando campo magnético e o
teste do eletroímã, um dispositivo que utiliza corrente
elétrica para gerar campo magnético (circuito fechado e
aberto).
Avaliação
1. Analisando o mapeamento da caixa 1, o que você
observou e o que se pode concluir?
Circuito aberto - a agulha da bússola não
sofre deflexão. Em qualquer ponto ao redor da caixa, a bússola
apresentava a mesma orientação N - S.
Circuito fechado - a agulha da bússola desvia um pouco. Indicando
a presença de outro campo magnético na região. Cria-se
no espaço em torno da caixa um campo magnético e, a existência
desse campo é comprovada pelo fato da agulha da bússola
se orientar segundo esse novo campo, quando colocada em qualquer ponto
desse espaço.
Conclusão - Dentro da caixa deve haver passagem
de corrente elétrica, pois esta gera campo magnético ao
redor do fio. Pode ser um eletroímã ou um fio por onde passa
corrente elétrica. Se analisarmos o formato do campo, podemos deduzir
que é um fio condutor e não um eletroímã.
2. Analisando o mapeamento da caixa 2, o que você
observou e o que se pode concluir?
Circuito aberto - a agulha da bússola sofre
deflexão. Nos vários pontos ao redor da caixa, a bússola
apresentava orientação N - S diferente da original.
Quando colocada próxima de um lado da caixa o polo N da agulha
era atraído por ela e do outro lado da caixa o polo S da agulha
era atraído por ela. Nas laterais, o sentido das linhas de campo
é o mesmo e nas laterais opostas os sentidos são opostos.
Circuito fechado - a lâmpada não acende. Isto significa que,
mesmo ligando o interruptor o circuito continua aberto, possivelmente
porque o fio deve ter sido cortado ou por algum problema de contato.
Conclusão - Dentro da caixa deve haver um
ímã. O campo ao redor da caixa funciona com o circuito fechado
e com o circuito aberto. O formato do campo também corrobora a
sugestão de que dentro da caixa há um ímã.
3. Analisando o mapeamento da caixa 3, o que você
observou e o que se pode concluir?
Circuito aberto - a agulha da bússola não
sofre desvio.
Circuito fechado - a agulha da bússola sofria um desvio maior que
da caixa 1 e 2. A corrente elétrica gerou um campo magnético
no sentido perpendicular a uma seção reta fazendo aparecer
polaridades N - S definidos. Ficando um dos lados com uma polaridade e
o outro lado com outra, como se fosse um imã natural. Desligando
o circuito, o efeito desaparecia.
Conclusão - Na caixa deve haver um eletroímã,
pois seu efeito só é percebido quando há corrente
elétrica. Pode também haver um fio. Para diferenciá-los,
basta observar o formato das linhas de campo e também sua intensidade.
A intensidade costuma ser menor em apenas um fio, principalmente se a
fonte for a mesma nos dois casos.

Caixinha com eletroíma

Caixinha com ímã

Fio condutor passando pela caixinha
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