Eletromagnetismo no Ensino Médio

Introdução
Uma bobina quando percorrida por corrente elétrica, constitui um ímã. Portanto, a corrente elétrica tem efeito magnético. Com esta experiência, vamos verificar se é possível aumentar esse efeito magnético sem alterar as características da bobina e sem variar a corrente elétrica. Aprenderemos também por que e como o efeito magnético da corrente elétrica é utilizado no transporte de metais (ferro e demais materiais ferromagnéticos).
O eletroímã é um dispositivo simples que torna evidente a interação entre corrente elétrica e magnetismo. É constituído de um fio isolado, enrolado em torno de uma barra de ferro chamada de núcleo.
A eletricidade pode ser usada para criar um eletroímã, que é na verdade um imã temporário. O eletroímã adquire as propriedades de um imã, mas somente quando a eletricidade passa através do fio nele enrolado. Essa é a grande vantagem do eletroímã sobre o ímã: ele pode ser "desligado" e soltar o material que estava "grudado".

Objetivos
1. Construir um eletroímã.
2. Observar as forças de origem magnética produzidas a partir de corrente elétrica e compará-las com um ímã.
3. Comparar o efeito de uma mesma corrente elétrica em presença e ausência do núcleo ferromagnético.
4. Concluir que o núcleo intensifica o efeito magnético produzido por uma corrente elétrica.

O que se usa?
1 prego de ferro com cerca de 10 cm
1 m de fio esmaltado de cobre 22 a 26 (ou, alternativamente, fio encapado)
2 pilhas grandes
1 bússola
1 lâmina de barbear ou estilete
Tachinhas / clipes / cobre / isopor / borracha / plástico (materiais diversos que podem ou não ser atraídos por um ímã)

Como se faz?

A- Raspe, com uma lâmina de barbear ou estilete, o esmalte de cerca de 2 cm das extremidades do fio de cobre, para possibilitar o contato elétrico.
B - Construa uma bobina, enrolando o fio de cobre no lápis. Dê cerca de 5 voltas, sempre no mesmo sentido. Deixe cerca de 20 cm livre em cada lado do fio. Em seguida, retire o lápis.

D - Aproxime a bússola da bobina, de modo que a agulha fique na posição perpendicular ao eixo da bobina.

E - Ligue as extremidades do fio a uma pilha. Observe a agulha.
- A agulha da bússola mudou de posição?
Sim.

ATENÇÃO
Liga-se o circuito apenas durante os instantes em que são feitas as observações.
CUIDADO
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.
Além disso, durante a experiência, mantenha a pilha cerca de 15 cm da bússola porque o aço da blindagem da pilha tem propriedades magnéticas.

G - Introduza um prego na bobina. Aproxime a bússola das extremidades do prego e ligue a pilha.
Observe e desenhe.

- Qual foi a diferença, com a inserção do prego? Aumentou o desvio da bússola. - Onde o desvio é maior: pela ponta ou através da cabeça do prego? Através da cabeça do prego.

O que pode dar errado?
Se não houver problema de mau contato nas ligações ou da pilha estar muito gasta, esta experiência não apresenta maiores dificuldades.

O que se observa?
1. Quando passa corrente elétrica na bobina, a agulha da bússola muda de posição.
2. O conjunto prego-bobina aumenta o desvio da bússola.
3. Através da cabeça do prego, o desvio é maior.

Como funciona?
1. Quando a corrente elétrica passa por um fio gera um campo magnético.
2. A agulha sofre um desvio maior porque o efeito magnético da corrente elétrica aumenta quando se
introduz um prego na bobina.
3. A área maior da cabeça torna mais forte a atração.

Como se explica?
a. A eletricidade pode ser usada para criar um eletroímã ou um ímã temporário.
b. O eletroímã adquire as propriedades de um imã, somente quando a eletricidade passa através do fio nele enrolado.
c. Há 2 campos magnéticos: o criado pela corrente elétrica e a do prego que se magnetiza com a passagem da corrente elétrica. O campo magnético total é mais forte que antes. A função do prego é concentrar o campo magnético e torná-lo mais intenso.
d. A área maior da cabeça permitirá que um maior nº de linhas de campo magnético envolva o objeto a ser atraído. (É aconselhável o aluno fazer um esquema das linhas de campo magnético passando por dentro do ímã e saindo dos dois lados, e passando pelo objeto atraído).

O que se conclui?
a. A corrente elétrica cria campo magnético que atua sobre o imã.
b. O conjunto prego-bobina constitui um eletroímã.
c. Um eletroímã é constituído de um fio condutor (isolado eletricamente) enrolado (bobina) em torno de uma barra de ferro (prego), chamada núcleo.
d. O eletroímã intensifica o efeito magnético produzido por uma corrente elétrica.

Ver condução da aula após a realização do experimento =>


Parte II - Uma aplicação do eletroímã: transporte de material magnetizável

Como se faz?
1. Agora, monte um eletroímã mais potente: dê 10 ou mais voltas. Você pode enrolar o fio de cobre diretamente no prego.

2. Aproxime um conjunto de alfinetes, tachinhas, clipes, cobre, isopor, borracha e plástico, de um dos extremos do eletroímã (a ponta do prego). Ligue o eletroímã à pilha. Agora, aproxime do outro extremo (a cabeça do prego).
- O que se observa?
Os materiais ferromagnéticos são atraídos pelas extremidades do prego.
- Onde a atração é maior: na ponta ou na cabeça do prego?
Na cabeça do prego.

3. Desligue o eletroímã da pilha. Observe o que acontece. Desenhe.
- Todos os matérias caíram?
Sim.
- Por quê?
O núcleo do seu eletroímã, ou seja, o prego, desmagnetizou-se no momento em que a corrente foi interrompida.
- O seu eletroímã é um ímã permanente ou temporário? Por quê?
Temporário. Porque desmagnetizou no instante em que a corrente elétrica deixa de passar pelo fio.

Dica
É interessante suspender os objetos presos ao eletroímã ligado, para que, quando este for desligado, eles caiam.

Faça previsões... como aumentar o campo magnético?...

4. Aumente o nº de voltas do fio em torno do prego para 30 e repita o procedimento B.

5. Agora, ligue 2 pilhas em série, prenda-as com fita crepe e repita o procedimento B.

Ver Condução da aula após o experimento...


O que se observa?
1. A agulha sofre uma deflexão maior ou menor.
2. Com o circuito ligado - o prego atrai, nas extremidades: tachinhas e clipes.
3. Desligado - os materiais atraídos caem.
4. Verificamos que quanto maior o nº de pilhas, maior é a atração porque quanto maior a intensidade da corrente elétrica maior é a atração. Quanto maior o nº de voltas maior a atração porque os campos magnéticos gerados por cada espira se somam.

Como funciona?
1. A deflexão da agulha da bússola depende da intensidade do fluxo magnético. Se enrolarmos um fio condutor ao redor de um prego, conseguimos efeitos magnéticos muito mais intensos do que se esse meio for um material que não seja ferromagnético como o ar (bobina oca).

2. Com o circuito ligado, o prego funciona como um imã, atraindo objetos de material ferromagnético, porque o prego alinha seus domínios magnéticos quando uma corrente elétrica passa pela bobina. Aparece na bobina e no prego um campo magnético: cria-se assim um imã temporário. Ligando as extremidades do fio aos pólos de uma pilha, estaremos fabricando um aparelho conhecido como eletroímã. Com ele é possível atrair objetos leves de ferro, aço, cobalto e níquel.

3. Desligado, ele deixa de ser imã: o campo magnético deixa de existir e o prego perde quase todo seu magnetismo. Em geral, mesmo desligado, o prego mantém uma pequena magnetização permanente que o permite atrair ainda pequenos objetos. (Como desmagnetizar o prego? Ver experimento =>)

Como se explica?
a. O eletroímã consiste em uma bobina enrolada num núcleo de ferro (prego).
b. Quando uma corrente elétrica percorre uma espira ou várias espiras (bobina), gera um campo magnético no seu interior.
c. A intensidade desse campo magnético depende da corrente elétrica que percorre a bobina: do nº de voltas (espiras) e do meio envolvido pela bobina.
d. Se esse meio for um material que não seja ferromagnético, como o ar (bobina oca), madeira, cobre, alumínio, a intensidade do campo magnético gerado será pequena.
e. Se, entretanto, o meio for um material ferromagnético (ferro, cobalto, níquel ou ligas desses materiais, como o aço), a intensidade do campo magnético será muito maior.

O que se conclui?
a. Uma bobina qualquer funciona como um imã, quando percorrida por uma corrente elétrica. Uma bobina percorrida por eletricidade se comporta exatamente como um imã de barra. A bobina apresenta pólos magnéticos que também atraem os pólos existentes na agulha da bússola.

b. Qualquer pedaço de ferro, enrolado num pedaço de fio isolado, por onde passe corrente elétrica, pode ser considerado um eletroímã.

c. A força que um eletroímã pode aplicar em um corpo ferromagnético que se encontra a uma determinada distância, depende de 3 fatores:
- nº de voltas da bobina
- intensidade da corrente elétrica
- facilidade com que o material do núcleo se magnetiza e desmagnetiza:os melhores materiais para o núcleo são o ferro puro e o aço.

Aplicação Prática
Os eletroímãs têm diversas aplicações práticas, como a campainha, telégrafo, relé, gerador, rádio, telefone, alarme, computador, guindaste eletromagnético e motor elétrico, transporte de peças metálicas, seleção de materiais ferromagnéticos (grandes eletroímãs em ferros-velhos), e até para achar uma agulha perdida no chão, além de muitos outros aparelhos modernos de alta tecnologia.

Ver avaliação dessa seqüência...