Eletromagnetismo no Ensino Médio

1) Introdução

Esta atividade acontece em um ponto em que os alunos já estudaram a parte inicial do magnetismo (ímãs, bússolas, materiais ferromagnéticos) e, conseqüentemente, já começaram a construir um modelo para o ímã. Este modelo ainda está incompleto, mas já contempla algumas características como o fato de o ímã ter dois pólos e de haver atração entre pólos opostos e repulsão entre pólos iguais. O aluno neste ponto sabe que o ímã age a certa distância (não há necessidade de contato), ou seja, que tem um campo de ação, mas desconhece o formato deste campo de ação.
A idéia deste experimento é incrementar o pré-modelo de campo magnético do aluno fazendo-o perceber a existência das linhas de campo e sua organização com relação aos pólos do ímã.

2) Público Alvo

Esta atividade é voltada para alunos do ensino médio que já tiveram uma introdução ao magnetismo (conhecimentos prévios sobre o funcionamento dos ímãs)

3) Conteúdo

Campo magnético, linhas de campo.

4) Objetivo

O objetivo é que os alunos possam "visualizar" uma parte do campo magnético ao redor de um ímã e, assim, adaptar o seu modelo de campo magnético a essa nova informação e também que o aluno perceba que o campo magnético é tridimensional e dinâmico, não estático.

5) Materiais Necessários

" Ímã;
" Limalha de ferro;
" Folha de sulfite;
" Pedaço de vidro, papelão ou plástico mais firme do tamanho do sulfite (para suporte)

6) Montagem

O posicionamento inicial do ímã é importante, pois o campo depende deste posicionamento. A princípio sugiro que o professor posicione o ímã centralizado sobre a mesa:

Num segundo momento, o professor pode mudar ou sugerir aos alunos que mudem a posição do ímã e observem o que acontece com as linhas de campo.
Depois de posicionar o ímã, deve-se colocar sobre ele o vidro (ou outra superfície rígida) de modo a deixar o ímã centralizado abaixo do mesmo:

Agora sobre o vidro, posicione o papel sulfite. É importante que os alunos vejam a montagem (se possível que montem sozinhos) para que saibam a posição do ímã abaixo do vidro.
Agora se deve polvilhar a limalha de ferro sobre o papel de modo a favorecer a formação do campo. Evite o acúmulo de limalha, procure jogá-la uniformemente. Colocar a limalha em um saleiro ajuda no processo. Surgirá uma figura deste tipo:

Figura 1 - Linhas de Campo

7) Sobre a aplicação do experimento

É importante que o professor pergunte previamente aos alunos o que estes esperam que aconteça. Feito o experimento, poderá voltar a questionar os alunos sobre os resultados: O que aconteceu de diferente do esperado? Por que vocês acham que aconteceu isso?
Pode-se mudar a posição do ímã e perguntar como ficará a figura agora. Isto ajuda a fazê-los perceber a relação entre os pólos e as linhas e ajuda a perceber que, de fato, há linhas de campo distribuídas no espaço (o campo magnético é tridimensional).

Figura 2 - Ímã com um dos pólos voltado para cima
Após a observação das linhas de campo mudando-se a posição do ímã, pode-se perguntar aos alunos o que aconteceria se a limalha pudesse ficar flutuando no ar. É muito importante que eles percebam que o campo magnético é espacial e não plano. Pode-se observar que, quando a limalha é um pouco mais grossa, vários pedacinhos ficam levantados nos pólos, dando indícios desta configuração espacial.
Ao final, os alunos deverão fazer um relatório do experimento, detalhando os procedimentos e dizendo o que ele esperava antes e o que observou depois. Deste relatório deve constar um desenho do campo magnético ao redor do ímã (no plano). Pode-se pedir aos alunos que tentem desenhar este campo no espaço.

8) Dicas

Para montar o experimento é importante fazer com que a folha de sulfite esteja bem apoiada. Caso contrário, a limalha cairá nas laterais da folha e isso interferirá na figura.
Por isso há a necessidade de um pedaço de vidro, um papelão, uma capa de caderno, etc. Se o ímã for mais fraco e essa superfície de separação interferir muito em seu campo, podem-se apoiar as quatro pontas do papel sulfite com canetas ou lápis de mesmo tamanho.
O ímã não deve entrar em contato com a limalha porque é muito difícil separá-los depois. Pode-se encapá-lo com plástico para evitar que a limalha grude no mesmo.
Quando realizei este experimento, fiz uma demonstração diante da sala porque não tinha limalha suficiente para todos. Caso o professor tenha limalha e ímãs, o melhor é permitir que os alunos façam o experimento em grupos ou individualmente. Um substituto bom para a limalha é o Bombril moído. Pode-se esfregá-lo ou passá-lo em um ralador (na época do meu experimento eu não pensei nisso, caso contrário teria formado grupos). Se você molhar a Bombril e deixá-lo secar, ele se despedaça mais facilmente depois.

9) Expectativas Conceituais

Antes de iniciar o experimento é interessante perguntar aos alunos o que eles esperam que apareça sobre o papel. Como eles já estudaram ímãs e sabem que a limalha é ferromagnética, é comum que digam que toda a limalha será atraída para o corpo do ímã. Neste caso, não haveria formação das linhas de campo, apenas o acúmulo sobre o corpo e, possivelmente, um acúmulo maior nos pólos. Assim sendo, a formação das linhas de campo gerará o conflito cognitivo desejado. O aluno perceberá problemas no seu modelo de campo e tentará modificá-lo para explicar o experimento.

10) Comentários Finais

Se o professor tiver acesso a ímãs de outros formatos (ímãs de ferradura, ímãs circulares, etc.) é muito interessante que se faça o experimento com cada tipo de ímã. O professor poderá, assim, fazer com que o aluno perceba mais facilmente a relação entre os pólos do ímã e as linhas de campo.

Você já percebeu que aparecem várias regiões brancas do papel, regiões em que não há acúmulo de limalha, principalmente perto dos pólos? Este é um problema que o aluno pode perceber. Neste caso, pode-se trabalhar com a questão do atrito sobre o papel (principalmente se os alunos já estudaram força de atrito no plano inclinado e no plano horizontal). Um exercício interessante consiste em calcular a força magnética em alguns pontos do papel a partir do cálculo da força de atrito que equilibra a limalha. Podemos examinar esse problema de uma forma qualitativa e aproximada capaz de justificarmos a configuração do campo magnético nas linhas de campo que ligam os pólos.
A limalha é atraída para o ímã. O atrito impede o seu avanço. A limalha se acumula em uma determinada região. A limalha acumulada numa região distante do ímã está magnetizada e atrai a limalha próxima a ela
É como se os fragmentos de ferro (limalha) estivessem sujeitos a interações múltiplos com o ímã e com os fragmentos vizinhos.
E se cada fragmento está parado num ponto sobre a folha é porque sobre ele a resultante de todas as forças é nula.
Vamos representar o conjunto das forças de natureza magnética por um vetor que tem direção da linha de campo (tangente) que apareceu no lugar desse fragmento. Então nesse lugar existe também uma força que é devida ao atrito entre o papel e a limalha.
Como podemos calcular a Fat para esse caso? Com conceitos da mecânica é possível fazer um cálculo aproximado:
Sendo Fmag do conjunto dos micro-ímãs mais o ímã Fmag = Fat numa aproximação dentro dos limites da experiência.

Forças de atrito e magnética em um ponto

Para obter a força de atrito é necessário que primeiro calculemos o coeficiente de atrito do papel. Para isso podemos pegar uma folha do papel utilizado para o experimento das linhas de campo e uma "porção" da limalha. Podemos estimar a massa de um grão de limalha calculando a massa de uma porção que contenha uma quantidade estimável de grãos.
Colocamos o papel sobre uma superfície plana e rígida (uma placa de madeira, um papelão) e, preferencialmente, fina (para facilitar a medida do ângulo). Inclinamos suavemente o conjunto até o momento em que a limalha começa a escorregar.

Neste momento, outra pessoa deve medir o ângulo formado entre o papel e a superfície.
Agora chamaremos de P1 a componente do peso paralela ao papel e de A a força de atrito neste ponto. Teremos:

onde é o coeficiente de atrito estático do papel, N é a normal e P é o peso.