Eletromagnetismo no Ensino Médio

Esta atividade pode ser utilizada com os alunos do ensino médio no final do estudo de eletromagnetismo. Este estudo pode se tornar algo muito marcante, quando ele tem contato com este experimento e consegue entender todos os fenômenos envolvidos.
Normalmente, iniciamos o estudo do eletromagnetismo pela eletricidade, mostrando para o aluno a corrente elétrica gerada pela pilha. Todo estudo da eletricidade é baseada nessa idéia da produção da corrente elétrica.
Esta é uma atividade que vai mostrar ao aluno como podemos gerar energia elétrica sem a presença da pilha ou bateria e serve para despertar idéias sobre o meio ambiente, além de apresentar um princípio fundamental da física.
Este experimento se baseia na realização prática que o grande físico inglês Michael Faraday fez por volta de 1830, onde conseguiu obter correntes elétricas a partir de campos magnéticos. O objetivo agora é levar o aluno também a essa descoberta.

Pré-requisitos

Para atingir os objetivos com esta experiência, ela deve ser aplicada após os alunos já terem estudado corrente elétrica, o comportamento da bússola, campos magnéticos e que campos magnéticos podem ser produzidos por correntes elétricas.
É importante que ele saiba que a agulha da bússola "enxerga" um campo magnético. Este conhecimento serve para levar o aluno a acreditar na proposição inversa: um campo magnético deve gerar uma corrente elétrica.

Objetivo principal desta atividade:

Obter corrente elétrica a partir da variação do campo magnético.

Conteúdos envolvidos

Circuito fechado, comportamento da bússola, corrente elétrica induzida, variação do campo magnético, corrente alternada.

Materiais necessários

- aproximadamente 8 metros de fio condutor esmaltado (número 25)*
- ímã em forma de barra
- bússola
- fita crepe para fixar o experimento
Devemos ter cuidado na compra do fio, que é conhecido como "fio de motor".

Objetivos conceituais

O fenômeno do estabelecimento de uma corrente elétrica em um circuito a partir de feitos magnéticos é denominada indução eletromagnética e a corrente que é estabelecida recebe o nome de corrente induzida.
É esperado que o aluno perceba que podemos gerar uma corrente instantânea, a corrente elétrica induzida, quando movimentamos um ímã no interior de uma das bobinas do circuito e que esta corrente induzida é gerada pela variação da intensidade do campo magnético nessa bobina.
O aluno deve perceber que o sentido da corrente induzida depende do sentido da movimentação do ímã na bobina, e podemos conhecê-lo usando da "regra da mão direita".

Objetivo específico

O aluno pode elaborar um relatório em folha sulfite contendo todas as observações, conclusões e reflexões sobre este experimento e ele ainda pode pesquisar outros assuntos relacionados como:
- as conseqüências e importâncias desse momento do desenvolvimento científico para a humanidade;
- como funciona cada tipo de usina (hidroelétrica, nuclear e termoelétrica), destacando a forma de energia que é transformada em energia elétrica;
- os tipos de usinas são utilizadas em nosso país para gerar energia elétrica, qual é o impacto ambiental de cada uma delas e onde se localizam;

O objetivo deste trabalho é levar o aluno a elaborar um relatório experimental e também que ele tenha oportunidade para fazer leituras de textos, em que faça uma reflexão sobre as consequências de cada tipo de usina em uso no Brasil.

Concepção do aluno

O aluno não imagina que exista uma relação entre a eletricidade e o magnetismo e não pensa que podemos gerar corrente elétrica com campo magnético.

Procedimento experimental

1ª parte: Montagem do experimento

Primeiramente raspar as extremidades do fio.
Enrolar 2,5m para fazer a 1ª bobina, não deixando muito apertado, nos três dedos da mão, conforme figura abaixo, medir 1,5m do fio para manter as bobinas separadas e depois enrolar mais 2,5m de fio para fazer a 2ª bobina novamente nos três dedos.

A distância dos três dedos é suficiente para encaixar a bússola em uma das bobinas e na 2ª bobina para movimentar o ímã.
Devemos conectar as duas extremidades do fio para formar o circuito fechado.
As bobinas são feitas de várias espiras unidas, elas devem ter uma forma circular de tamanho suficiente para que se possa colocar a bússola no seu interior em uma delas e um ímã de barra na outra. O grande número de espiras unidas serve para aumentar o efeito que vamos observar. É importante não esquecer de raspar o esmalte das extremidades do fio condutor para fazer bem o contato, conforme figura abaixo, de modo que feche o circuito.

2ª parte: Realização do experimento

Professor, use este experimento como demonstração, fazendo a discussão com apenas três ou quatro alunos observando o que acontece com o experimento e faça a classe participar com a observação destes alunos.

Procure fixar o circuito na mesa do professor usando fita crepe. Esse procedimento é importante para realizar o experimento com tranqüilidade e garantia de uma boa observação do efeito pelos alunos, através do movimento da agulha da bússola.
Devemos usar o ímã bem distante da bússola, para que o campo magnético do ímã não seja percebido pela bússola. Afaste ao máximo as duas espiras. Não se esqueça de deixar 1,5m de distância entre as bobinas.
Encaixar a bússola perpendicularmente (**) em relação à 1ª bobina, isto é, com a agulha na mesma direção do eixo da bobina, conforme figura abaixo. É uma informação muito importante neste experimento, pois a agulha da bússola vai sofrer um desvio quando existir corrente elétrica.
A movimentação da agulha da bússola vai acontecer quando existir campo magnético ao redor do fio. O sentido da agulha vai indicar o sentido desse campo magnético. A posição da agulha da bússola vai ser de um ponto tangente a linha desse campo magnético.

A montagem sobre a mesa do professor é a seguinte: fixe o circuito com as duas bobinas sobre a mesa com o fio bem esticado, de modo que as bobinas fiquem bem afastadas, coloque a bússola em uma das bobinas, conforme figura abaixo:

Depois de feita a montagem, chame os alunos para observar o experimento. Seria interessante o seguinte procedimento com eles:

Primeiro momento: "Olhando para a montagem do experimento"
Peça para um dos alunos descrever a montagem que está sobre a mesa para explicar aos colegas que estão sentados na sala.

Segundo momento: "Lembrar dos pontos importantes"
O professor pode escrever na lousa as seguintes perguntas:
Como podemos saber que passa corrente elétrica num fio?
A bússola serve para perceber se existe corrente elétrica num fio? Por que?
O que deve acontecer com a agulha da bússola quando tem corrente elétrica no fio?
É importante que os alunos tenham clareza nestas respostas para que o experimento seja significativo.

Terceiro momento: "Observação do efeito"
O professor deve movimentar o ímã no interior da 2ª bobina, fazendo o movimento de entrar e sair da bobina rapidamente por repetidas vezes, conforme figura abaixo:

Perguntar aos alunos:
O que acontece com a agulha da bússola?
Porque a agulha da bússola muda de direção quando movimentamos o ímã?

Quarto momento: Aprofundando o conhecimento
O que gerou a corrente elétrica?
Qual o sentido da corrente?
O que acontece quando aumentamos o número de espiras da bobina?
Porque construímos um circuito onde temos o cuidado de deixar 1,5 m de distância de uma bobina da outra?

Dicas importantes

*A justificativa do comprimento do fio é para que não ocorra interferência da variação do campo magnético provocado pela movimentação do ímã de uma bobina na outra onde se encontra a bússola, que vai sofrer apenas a interferência do campo magnético gerado pela corrente induzida.
**A agulha da bússola tem que ser colocada numa direção, de modo que "sinta" a presença do campo magnético criado pela corrente elétrica induzida que passa pelas espiras na bobina.

Como o aluno recebe o experimento

Esta é uma experiência muito significativa no estudo do eletromagnetismo, mas para o aluno "enxergar" o efeito, que é a corrente induzia e a importância da descoberta de Faraday, é necessário que o professor, em suas aulas, encaminhe as discussões de modo que leve o aluno a um encadeamento de idéias e consiga valorizar o resultado encontrado nesta atividade.
O experimento funciona com facilidade, desde que o professor siga corretamente os procedimentos, mas o efeito que provoca na agulha da bússola são simples movimentos que pode sensibilizar o estudante que conhece a bússola como um detector de campo magnético.

Conhecendo o experimento

Para observar o fenômeno da indução magnética, a agulha da bússola deve ficar na posição que fique alinhada com a espira da bobina, se ficasse na direção do eixo da bobina nada seria observado. A segunda bobina constitui o condutor que está no campo magnético produzido pelo ímã de barra. Quando o ímã é movimentado rapidamente no interior da bobina, a agulha da bússola sofre um desvio tendendo a assumir a direção que coincide com o eixo da espira. Se a bobina ao invés do imã for aproximada e afastada rapidamente do ímã o mesmo desvio será observado.
Nesta experiência o fator importante no aparecimento de corrente elétrica é um movimento relativo entre o circuito e o ímã. Com efeito, o fato de se aproximar ou se afastar um do outro faz aparecer a corrente elétrica, não importando se foi à bobina ou o ímã que permaneceu parado.
Para evidenciar a passagem de corrente elétrica usamos a bússola porque a corrente elétrica num condutor gera um campo magnético e este desvia a agulha da bússola que na verdade é um ímã.
Esta corrente elétrica que aparece em consequência do movimento de uma bobina num campo magnético ou vice-versa é chamada de corrente induzida. Essa corrente é muito pequena para acender uma pequena lâmpada.
O importante a destacar com relação à corrente elétrica induzida é que ela aparece em virtude de um movimento relativo entre a bobina e o ímã.

Lei de Lenz

Uma lei estabelecida pelo cientista alemão H. Lenz, logo após a publicação dos trabalhos de Faraday, permite a determinação do sentido da corrente induzida em um circuito.
"O sentido da corrente induzida em um circuito é tal que o campo magnético por ela tende a contrariar a variação do fluxo magnético que lhe deu origem".
Para determinar o sentido da corrente induzida, podemos também utilizar um recurso, que recebe o nome de regra da mão direita.
Essa regra é aplicada quando conhecemos os sentidos de duas grandezas e queremos determinar o sentido de uma terceira grandeza, como vemos indicado na figura I, onde aparece o vetor campo magnético, vetor velocidade de deslocamento e vetor da força magnética que aparece nos elétrons do fio; estas grandezas são ortogonais entre si. Para aplicar essa regra usamos o polegar para indicar o sentido da força, o dedo médio para indicar o sentido do campo magnético e o dedo indicar para o sentido da velocidade da bobina.
Este é um recurso que pode ser utilizado para determinar, por exemplo, o sentido da corrente elétrica na bobina, conforme indicado nas figuras II e III, onde foi aplicada a regra da mão direita em quatro pontos no desenho do círculo da bobina.
A corrente induzida muda de sentido, conforme acontece o movimento de entrar e sair do ímã em relação a bobina, o que podemos chamar de corrente alternada, diferentemente da corente contínua que estudamos quando temos uma pilha ou bateria como gerador da corrente elétrica.

Figura I - Indicação da aplicação da regra da mão direita

Figura II - Em azul temos o círculo que indica a bobina, no centro do desenho é representado o ímã. Em vermelho temos a indicação do sentido da corrente induzida ( i ) quando é movimentada a bobina em relação ao ímã. Neste caso, a bobina está saindo e o ímã está parado, está indicação é feita pela simbologia utilizada para indicar a velocidade da bobina, o ponto dentro da bolinha representa a ponta da seta que indica a velocidade quando bobina está ela está saindo do plano do desenho.

Figura III - Em azul temos o círculo que indica a bobina, no centro em azul o ímã, em vermelho aparece a indicação do sentido da corrente induzida ( i ) quando é movimentada a bobina em relação ao ímã. Neste caso a bobina está entrando e o ímã está parado, está indicação é feita pela simbologia utilizada para indicar a velocidade da bobina, o x dentro da bolinha representa o final da seta quando está ela está entrando no plano do desenho.