Eletromagnetismo no Ensino Médio

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.

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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