Eletromagnetismo no Ensino Médio

Já estudamos algumas vezes esses conceitos e suas relações, mas sempre ficam dúvidas e temos de retomar este estudo, porque são conceitos difíceis e fazemos confusão entre eles. Lembrei de um artigo que li que é o seguinte "Concepções de futuros professores de ciências sobre um conceito 'esquecido' no ensino de Eletricidade: A Força Eletromotriz", de Guisasola, J., Monteiro, A. e Fernandez, M.. Esse artigo ajudou-me muito na compreensão do significado da força eletromotriz e da diferença de potencial e qual é a relação entre elas.
Eu reli esse artigo e alguns livros didáticos para o Ensino Médio, que tratam do assunto para melhor compreensão dos significados desses conceitos.

Quem utilizou o termo força eletromotriz pela primeira vez foi Alessandro Volta. Ele dizia que ao colocar duas placas de metais diferentes em contato, diretamente ou com a intervenção de um eletrólito, uma nova classe de “força” ou capacidade atuava sobre as cargas separando-as e mantendo-as separadas; a essa ação ele deu o nome de força eletromotriz. Esta ação era de natureza motriz, porque de acordo com a eletrostática, cargas opostas não poderiam se manter separadas. As principais observações e medidas de Volta foram da diferença de potencial, que ele chamava de “tensão” elétrica, que se produzia entre dois metais diferentes e que ele media com eletroscópios. A "tensão" elétrica (diferença de potencial eletrostático) observada, para o circuito aberto, era uma medida de força eletromotriz.
A força eletromotriz é uma grandeza que está presente nas explicações do comportamento dos geradores elétricos em circuitos simples e também na indução eletromagnética.
No caso de uma pilha em um circuito elétrico simples, a força eletromotriz representa a energia química convertida em energia elétrica por unidade de carga que atravessa um circuito, considerando-o ideal. A pilha é a causa que mantém constante uma diferença de potencial entre os extremos do circuito.

Na pilha tem lugar uma série de reações químicas que de maneira geral podemos chamar de ações não conservativas, ou seja, ações elétricas não eletrostáticas através das quais se fornece energia à unidade de carga e esta energia se quantifica mediante a grandeza força eletromotriz. Portanto, a força eletromotriz (fem) é uma propriedade dos geradores de energia elétrica e no caso de circuitos elétricos simples, constituídos por uma pilha, fios de condução e resistências, a fem mede a energia que a pilha fornece à unidade de carga para deslocá-la do seu polo positivo para o negativo. A força eletromotriz da uma pilha ou bateria não depende de suas dimensões, depende apenas dos elementos químicos que entram em sua composição. Uma pilha seca comum, por exemplo, possui uma fem cujo valor é 1,6 V. Ao ser inserida num circuito, esse valor cai para 1,5 V (a tensão ou ddp nominal, devido à sua resistência interna); dependendo do circuito, o valor da ddp pode cair ainda mais. Com o uso prolongado, observa-se um aumento na resistência interna r da pilha ou da bateria devido às reações químicas que ali acontecem, com a mudança na concentração dos reagentes. A relação V_AB = ε – ri nos mostra que a diferença de potencial V_AB diminui e, portanto, a potência que a pilha ou bateria é capaz de fornecer ao circuito externo também diminui, apesar de sua fem não se modificar.

Em um circuito aberto, i = 0, a expressão anterior indica V_AB = ε. A leitura da ddp de uma pilha utilizando-se um voltímetro, com resistência grande e, portanto, a corrente tendendo a zero, nos fornece diretamente a fem.

Analogia com o gerador de Van de Graaff
O processo de separação de cargas pode ser explicado mediante uma analogia entre a pilha e o gerador de Van de Graaff. No caso do gerador de Van de Graaff, sobre as cargas atuam dois tipos de força: as eletrostáticas que tendem a repelir as cargas que chegam à esfera (forças elétricas e conservativas) e a força de tipo mecânico (não conservativa) feita com a cinta transportadora, que faz com que as cargas cheguem à esfera. O trabalho (por unidade de carga) realizado por estas forças para separar as cargas e deslocá-las até a esfera é a força eletromotriz.

O Gerador Van de Graaff (figura extraída do livro “Física”, de Antônio Màximo e Beatriz Alvarenga)

O gerador de Van de Graaff é constituído por uma correia que passa por duas polias, uma delas acionada por um motor elétrico que faz a correia se movimentar. A segunda polia encontra-se no interior de uma esfera metálica oca, que está apoiada em duas colunas isolantes.
Enquanto a correia se movimenta, ela recebe carga elétrica por meio de uma ponta ligada a uma fonte de alta tensão (cerca de 10000 V). Esta carga é transportada pela correia para o interior da esfera metálica. Uma ponta ligada a essa esfera recolhe a carga transportada pela correia e esta se transfere integralmente para a superfície externa da esfera do gerador. As cargas vão se acumulando na esfera, até que a rigidez dielétrica do ar seja atingida e a esfera se descarrega através de faíscas.
Nos laboratórios de Ensino esse gerador é construído em pequenas dimensões. Nestes geradores, mais simples a carga elétrica fornecida à correia é obtida na base do próprio aparelho pelo atrito entre a polia e a correia, costuma-se usar uma manivela para movimentar a polia e a correia.

Força eletromotriz induzida
O fenômeno do aparecimento de uma força eletromotriz induzida foi denominado indução eletromagnética e tornou-se conhecido como Lei de Faraday de Indução Eletromagnética.
Faraday verificou que sempre que uma força eletromotriz aparecia em um circuito, estava ocorrendo uma variação do fluxo magnético através deste circuito.
Ao movimentarmos um condutor metálico (barra ou fio), perpendicularmente às linhas de indução de um campo magnético, surgirá uma força em cada elétron livre do condutor. Essa força fará com que os elétrons livres se desloquem para a extremidade inferior do condutor. Consequentemente teremos uma separação de cargas no condutor, isto é, uma extremidade ficará eletrizada positivamente e a outra extremidade, negativamente. Essa separação de cargas permanece enquanto o condutor estiver se movimentando e uma diferença de potencial será mantida entre suas extremidades. O condutor se comporta como um gerador de força eletromotriz, ele é equivalente a uma pilha ou uma bateria. Esta força eletromotriz que aparece no condutor, devido ao seu movimento em um campo magnético, é denominada força eletromotriz induzida.
O mesmo acontece ao aproximarmos o polo de um ímã de uma espira que se encontra em repouso, observa-se o aparecimento de uma corrente nesta espira.
Na indução eletromagnética os campos elétricos produzidos não estão relacionados com cargas, mas com fluxo magnético variável, e, portanto, não são conservativos, assim o trabalho realizado ao deslocar a unidade de carga mede a força eletromotriz, em nenhum caso a diferença de potencial.

Referências bibliográficas
Alvarenga, B. e Máximo, A (2008). Física, v. 3, 1^a ed., São Paulo, Editora Scipione.
Guisasola, J.; Montero, A. e Fernández, M. (2005). Concepciones de futuros professores de ciências sobre um concepto “olvidado” em la enseñanza de La electricidad: La fuerza electromotriz. Enseñanza de las ciências, 23 (1), 47-60.