Eletromagnetismo no Ensino Médio

Introdução

Dois dos conceitos mais importantes, circuito elétrico e corrente elétrica, aparecem novamente, favorecendo o entendimento dessa atividade do Eletromagnetismo. Assim, os elementos básicos de um circuito elétrico são associados a um aparelho utilizado em casa. O princípio de funcionamento desses motores consiste num condutor podendo girar em torno de um eixo, percorrida por uma corrente elétrica e mergulhada em um campo magnético. É necessário entender a interação entre campo magnético com corrente elétrica. Se um condutor percorrido por uma corrente elétrica está imerso em um campo magnético ele sofre a ação de uma força. A proposta dessa atividade é fazer os alunos pensarem nessa força magnética que age na bobina, onde ocorre a transformação da energia elétrica em energia cinética. Se os alunos fizeram as atividades "Bússola e corrente elétrica" e "Eletroímã", o mecanismo é igual.

Objetivos
1. construir um modelo de motor elétrico de corrente contínua.
2. reconhecer os fatores que influem no funcionamento de um motor elétrico de corrente contínua.
3. descrever o efeito do campo magnético em cargas em movimento.
4. descrever a ação do campo magnético sobre uma corrente.
5. analisar como funciona um motor elétrico.

O que se usa?
1 imã de barra
1 pedaço (40 cm) de fio de cobre esmaltado nº 22
2 pedaços (15 cm cada) de fio cabinho nº 20
2 pedaços (20 cm) de fio de cobre esmaltado nº 26
4 percevejos
1 pilha de 1,5 V
1 pedaço de madeira 10 cm x 5 cm x 1 cm
1 alicate
1 martelo
1 lâmina de barbear ou estilete
lixa
fita crepe

Como se faz?

1. Tome os 2 pedaços de fio de cobre nº 26. Construa com eles 2 suportes como o da figura abaixo.
Raspe a reentrância que vai apoiar a bobina e a base onde serão conectados os fios condutores e a pilha, para tirar o esmalte isolante (esses serão pontos de contato elétrico do circuito). Você pode usar o estilete e depois a lixa. Por vezes, dependendo da montagem, é conveniente retirar o esmalte de toda a extensão do fio.

Obs. Os suportes de cobre devem ficar altos o suficiente para que o ímã (passo 8) caiba abaixo da bobina.

2. Em seguida, encaixe-os nos parafusos presos na base de madeira. Verifique se as reentrâncias nos suportes estão em linha reta e no mesmo nível.

3. Agora, você construirá a bobina móvel. Pegue um pedaço de 40 cm de fio de cobre nº 22. Deixe livre cerca de 3 cm de cada lado que será o eixo, que será apoiado nos suportes, em torno do qual ela vai girar. Enrole 10 vezes em 2 dedos: indicador e médio.

bobina móvel com 10 espiras e 1 eixo de 3 cm de cada lado

4. Em seguida, raspe com a lâmina:
- uma das extremidades do eixo da bobina, retirando totalmente o esmalte que recobre o fio.
- na outra extremidade, apenas a parte do fio voltada para cima; a parte inferior mantém o esmalte, que é isolante.

Dica - Se o esmalte não for bem raspado, prejudicará o funcionamento do motor, pois, se o contato entre as extremidades do eixo e os suportes não é bom, dificulta o movimento da bobina.

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5. Coloque a bobina sobre os suportes entre os 2 pólos de um ímã, buscando alinhar-se ao campo magnético criado por esse ímã e ajuste seu formato de maneira que ela repouse em equilíbrio. Verifique se o eixo da bobina encosta nos suportes, ao mesmo tempo, na parte raspada, quando está na horizontal.

Importante - É importante deixar a parte raspada do eixo em contato com os suportes, só assim haverá um caminho ininterrupto entre os pólos da pilha, passando pela bobina.

Dica - Se isso não ocorrer, veja se:
- as extremidades da bobina estão bem retas e opostas;
- as depressões nos suportes estão em linha reta e no mesmo nível;
- a faixa esmaltada estiver em contato com o suporte, torça essa extremidade.

6. Em seguida, pegue 2 pedaços (20 cm) de fio cabinho nº 20 e desencape as extremidades. Use-os para ligar a pilha aos suportes, na parte em que tirou o esmalte. Para fixar os fios cabinhos à pilha, use a fita crepe.

7. Coloque o imã na base de madeira, sob a bobina.

8. Dê um pequeno impulso na bobina para iniciar o movimento e observe se ela continua girando. Se não continuar, experimente girá-la para o outro lado.

Importante
1. O impulso que damos inicialmente tem a finalidade de colocar a bobina, na posição conveniente, para começar a girar.
Se o Norte da bobina estiver em contato com o Sul do ímã, há atração e a bobina gira.

Atenção
Ao continuar girando, a bobina passaria por posições em que o ímã atrapalharia o giro da bobina. Por isso, para o motor funcionar é necessário que, em uma parte da volta, a corrente seja desligada.
O que desliga a corrente é a faixa que permanece esmaltada do eixo da bobina, ao encostar no suporte metálico.

Dica - Se a bobina não continuar girando, verifique se:
- existe uma posição melhor para o imã.
- as extremidades da bobina estão tortas, impedindo-a de girar livremente.
- as extremidades da bobina estão corretamente raspadas.
- a pilha está bem ligada aos fios e estes ao suporte.

9. Após conseguir fazer com que o motor funcione, responda às questões de discussão da aula (ver Condução da Aula). Quando necessário, o aluno deverá procurar a resposta através da experimentação.

Dica - Se algum grupo raspar as 2 extremidades da bobina e, mesmo assim, o motor funcionar, podem estar acontecendo 2 coisas:
- os eixos não foram suficientemente bem raspados e, em alguma parte da volta, o esmalte desliga a corrente que passa pela bobina.
- a bobina é muito leve e, após o impulso inicial, fica saltitando. Toda vez que a bobina se separa do suporte, deixa de passar corrente nela.

O que pode dar errado

Desde que montado corretamente, seguindo todas as instruções dadas, sobretudo quanto à colocação correta do ímã, a única dificuldade que aparece estará nos contatos elétricos.
a. Verificar se os suportes metálicos estão na mesma horizontal.
b. Verificar se a bobina não está muito leve. O seu peso é que estabelece contato com o suporte metálico, especialmente durante o giro.
c. Se essa montagem já foi usada uma vez, raspar novamente a parte do eixo da bobina e a parte dos suportes em que o eixo encosta e dá contato. Se o cobre oxida, impede o contato elétrico.

O que se observa?

1. A bobina gira quando é:
- colocada dentro do campo magnético criado por um imã;
- ligada a uma pilha que lhe fornece corrente contínua.

2. Invertendo-se as ligações nos polos da pilha e invertendo os polos do imã, a bobina inverte o sentido de rotação.

Invertendo os polos do ímã

Como funciona?

1. A bobina é ligada às duas pilhas, que lhe fornece uma corrente i e colocada entre os 2 polos de um ímã, buscando alinhar-se ao campo magnético criado por esse ímã.

2. O circuito se fecha assim que se estabelece o contato entre o eixo da bobina e os suportes estabelecendo um caminho ininterrupto entre os pólos da pilha, passando pela bobina.

3. Um impulso é dado inicialmente na bobina, com a finalidade de colocá-la, na posição conveniente, para começar a girar. A bobina gira no sentido correto, mesmo que o impulso inicial seja dado em sentido contrário.

4. Quando a bobina começa a girar?
Quando passa corrente elétrica pela bobina, ela se comporta como um ímã e, como tal, possui pólos Norte e Sul. Ao aproximarmos da bobina um ímã permanente, ela iniciará o giro se, o Norte da bobina estiver em contato com o Sul do ímã porque há atração (posição conveniente). Portanto, uma força magnética age sobre a bobina colocada no campo magnético, porém, esse movimento não completa uma volta.

5. Por que a bobina gira?
Porque na outra metade da volta, a corrente elétrica é desligada. O que desliga a corrente é a faixa esmaltada de uma das extremidades do eixo, ao encostar no suporte.  Não havendo corrente, não há força: a espira continua a girar por inércia, num sentido só.
Obs. Não é conveniente que a bobina se comporte permanentemente como um ímã porque ao continuar girando, vai passar por posições em que o ímã atrapalharia seu giro, fazendo-a parar ou até mesmo inverter o sentido do giro.

6. Como a bobina mantém o giro contínuo?
Quando volta a passar corrente, as forças reaparecem, fazendo-a girar no mesmo sentido em outra parte da volta, a outra metade da volta gira por inércia e assim, sucessivamente... Para se tornar um motor elétrico, é necessário possibilitar um giro contínuo de seu eixo.

OBS. Nesta figura, usou-se uma posição diferente para o ímã, aproveitando o formato deste que se equilibra bem verticalmente.

Formato em U, além de facilitar a fixação do ímã, favorece a concentração das
  linhas de campo magnético, melhorando o desempenho do motor.

Assim, podemos ver que a posição do ímã pode variar, contanto que um dos pólos tenha suas linhas de campo magnético passando perpendicularmente ao eixo da bobina.

Como se explica?

a. A corrente elétrica que passa pela espira imersa num campo magnético provoca o aparecimento de forças que atuam sobre ela fazendo-a girar.
b. A bobina gira quando o campo magnético do ímã exerce forças sobre as cargas elétricas em movimento (corrente elétrica).
 
O que se conclui?

O funcionamento do motor elétrico de corrente contínua se baseia:
a. Ação magnética sobre um condutor
    ▪ um fio percorrido por uma corrente elétrica, colocado em um campo magnético, sofre ação de uma força magnética perpendicular ao fio.
 b. Princípio fundamental do Eletromagnetismo
   ▪ um campo magnético é criado por cargas elétricas em movimento e esse campo somente atua em outras cargas elétricas, exercendo forças sobre elas, se essas cargas estiverem em  movimento.

Ciência e Tecnologia

Os motores elétricos modernos, utilizados na maior parte dos eletrodomésticos, brinquedos acionado por pilhas, o “motor de arranque” de um carro e em máquinas industriais, necessitam de um giro regular contínuo. Para tanto, possuem várias bobinas, que são ligadas e desligadas alternadamente, mantendo o motor sempre funcionando. Vários aperfeiçoamentos vêm sendo feitos na construção de motores. Um dos mais importantes é a substituição dos ímãs permanentes, fixados à carcaça, por outras bobinas. Quando é estabelecida uma corrente elétrica nessas bobinas, cria-se um campo magnético, idênticos ao dos ímãs permanentes. São construídos dessa forma os motores de liquidificador, batedeira, furadeira, enceradeira e espremedor de frutas. Em motores de pequena potência, como os do carrinho de autorama e os que fazem girar o CD, por exemplo, ainda são utilizados ímãs permanentes.

Referências
 1. Subsídios para a implementação do guia curricular de Ciências - 1º grau – CECISP
Centro de treinamento para professores de Ciências Exatas e Naturais de São Paulo.
2. Gaspar, Alberto, Experiências de Ciências para o 1 grau, Coleção sala de aula, Editora Ática, 1998.
3. Gaspar, Alberto, Física, volume único, Editora Ática, 2001.
4. Alvarenga, Beatriz e Máximo Antônio, De olho no mundo do trabalho, volume único para o Ensino Médio, Editora Scipione, 2004
5. Gonçalves Filho, Aurélio e Toscano, Carlos, Física para o Ensino Médio, série Parâmetros, volume único, Editora Scipione, 2002.
6. Barros, Carlos e Paulino, Wilson Roberto, Ciências Física e Química, 8ª série, Editora Ática, 2002.

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