As atividades experimentais de Eletromagnetismo

Atividade Experimental I - Geração de um campo magnético a partir de uma corrente elétrica.

A base fundamental desta atividade, deverá se concentrar na experiência de Oersted, contudo deve-se dar a devida importância, não só a origem como a configuração do campo magnético. As fotografias a seguir, mostram os passos principais do protocolo que elaboramos. Na execução da seqüência, é de grande importância a discussão da simetria do campo magnético e, assim, poder-se-á ir para a descrição do protocolo da experimentação.

Materiais e equipamentos utilizados:

- Fonte de tensão (pode ser substituída por pilhas); - Chave de interrupção de circuito;

- Uma “agulha magnética”; - Uma bússola;

- Um galvanômetro ou micro-amperímetro (de uso vertical); - Um arranjo de fiação para ser usado em várias posições; - Cabos elétricos para conexão.

a) Situação 1

Variável didática: Direção Norte Sul.

Objetivo específico: a determinação da direção Norte-Sul.

Comentários: Deveremos utilizar uma agulha magnética e uma bússola. Neste arranjo, a agulha fica paralela a agulha da bússola, apontando para o Norte. A fotografia na página 117 a seguir (Figura 4.1) mostra a montagem experimental.

Figura 4.1: Determinação direção Norte-Sul

b) Situação 2

Variável didática: a relação Eletricidade Magnetismo.

Objetivo específico: mostrar a relação entre Eletricidade e Magnetismo. Comentários: Aqui devemos discutir a experiência de Oersted, mostrando o comportamento da agulha com o circuito aberto (Figura 4.2a), onde a agulha fica alinhada ao fio, e fechado (Figura 4.2b), onde a agulha fica perpendicular ao fio. Estabelecida a relação entre Eletricidade e Magnetismo, a colocação da agulha, em várias posições em torno do fio é importante para a construção inicial do conceito de campo magnético e, sobremaneira, a inclusão e discussão do componente histórico. Deve-se tentar de todos os meios incentivar o aluno a mostrar a “forma” do campo em torno do fio, de modo a superar o possível obstáculo de visualização tridimensional do conceito.

c) Situação 3

Variável didática: Campo magnético.

Objetivo específico: mostrar a “forma” do campo magnético.

Comentários: Esta etapa, é importante, pois o fio deve estar disposto na posição vertical (estamos mudando a disposição do fio em relação a experiência original de Oersted). Iremos trabalhar no plano perpendicular ao fio, usando a agulha em várias posições (Figura 4.3a e 4.3b) e também com a ajuda de limalha de ferro, que deverá ser espalhada neste plano.

Figura 4.3a: Disposição (a) Figura 4.3b: Disposição (b)

O objetivo primordial desta situação deve ser em relação ao campo magnético, discutindo-se que as linhas do campo magnético são circulares, centradas no fio e transitar em todos os momentos o aspecto tridimensional do conceito. Uma discussão que poderá ser realizada, então, é que o sentido das linhas de campo magnético pode ser obtido pela regra da mão direita (segurando o condutor com a mão direita, de maneira que o dedo polegar aponte o sentido da corrente, os seus dedos apontarão no sentido das linhas de indução) (Figura 4.4, página 119).

Nesta atividade, a discussão de que o campo magnético produzido pela corrente elétrica em um fio retilíneo depende basicamente de dois fatores: da intensidade da corrente e da distância

ao fio, será retomada e aprofundada na discussão na atividade complementar, a modelização matemática do fenômeno no modelo de simulação computacional, detalhada no capítulo 6.

Figura 4.4: Regra da “mão direita”

Atividade Experimental II - Ação de um campo magnético sobre a corrente elétrica

Após a realização da atividade anterior, complementada com a aplicação do modelo de simulação computacional, parte-se para a próxima atividade. Nesta o campo magnético é capaz de agir (exercer forças) não apenas sobre agulhas imantadas mas também sobre condutores percorridos por correntes elétricas. Este é um fenômeno com aplicações práticas significativas e de conhecimento dos alunos.

Material e equipamentos utilizados:

- Fonte de tensão (pode ser substituída por pilhas); - Chave de interrupção de circuito;

- Imã em forma de “U”;

- Um arranjo de fiação para ser usado em várias posições; - Cabos elétricos para conexão.

a) Situação 1

Variável didática: força magnética em um condutor.

Objetivo específico: determinação existência de uma força magnética sobre um condutor retilíneo, onde passa uma corrente elétrica.

Comentários: A montagem experimental (Figura 4.5), é realizada deixando-se um fio “suspenso” dentro do campo magnético de um imã em “U”. A discussão deve ser centralizada na passagem ou não da corrente elétrica, onde a importância dessa primeira parte da atividade, reside na discussão de que o campo magnético tem influência (exerce uma força) sobre um condutor percorrido por uma corrente elétrica. Deve-se explicitar aqui, a importância da discussão sobre a disposição em que o fio condutor esta inserido dentro do campo.

Figura 4.5: Força magnética

b) Situação 2

Variável didática: sentido da força.

Objetivo específico: determinar o sentido da força magnética.

Comentários: Deve-se proceder a discussão da influência do sentido da corrente e do sentido do campo no fenômeno. Nesta parte, deve-se inverter o sentido da corrente que passa pelo fio, e também, o sentido do campo magnético gerado pelo imã (invertendo-se os pólos do imã). O funcionamento é mostrado nas Figuras 4.6a e 4.6b (página 121) onde; quando não há corrente, a disposição do arranjo de fios permanece na posição vertical (situação 1); quando a corrente circula em um certo sentido, aparece sobre o fio uma força para a esquerda (assinalada por uma seta na Figura 4.6a); já quando a corrente circula em um sentido oposto, aparece sobre o fio uma força para a direita (assinalada por uma seta na Figura 4.6b). Deve-se ressaltar também a importância nesta parte do aspecto tridimensional do fenômeno.

Figura 4.6a: Força para esquerda Figura 4.6b: Força para direita

Nesta atividade, explicitamente na situação 3) é primordial a discussão das aplicações deste fenômeno, explicitando a conseqüência de que a força que um campo magnético exerce sobre um condutor percorrido por corrente pode ser utilizada para realizar trabalho. Duas aplicações obrigatoriamente devem ser discutidas: 1ª) o que ocorre nos motores elétricos (Figura 4.7) que transformam energia elétrica em energia mecânica e 2ª) que essa força também é usada para fazer funcionar uma grande variedade de aparelhos elétricos de medida, como amperímetros e voltímetros.

Figura 4.7: Motor elétrico

Lembramos aqui, que complementar a esta atividade também foi realizada uma atividade de simulação computacional, conforme será vista no capítulo 6.

Atividade Experimental III - Geração de uma corrente elétrica induzida a partir de um campo magnético variável.

Esta última atividade deverá ser realizada, somente após ter-se indicativos fortes da compreensão da “forma” do campo magnético, observados na descrição por parte dos alunos de um modelo mais próximo do científico. Também é importante nesta descrição a percepção, da relação tridimensional com outras grandezas envolvidas (força, corrente, etc.).

Material e equipamentos utilizados: - Chave de interrupção de circuito;

- Imã em forma de barra ou uma barra de ferro imantada;

- Duas bobinas, uma de poucas espiras, outra com várias espiras; - Cabos elétricos para conexão.

- Um galvanômetro ou micro-amperímetro (uso vertical); a) Situação 1

Variável didática: indução eletromagnética.

Objetivo específico: verificar o aparecimento de uma f.e.m. induzida em um circuito, devido a “variação” campo magnético.

Comentários: Basicamente aqui será discutida, utilizando-se a componente histórica, a experiência de Faraday. A atividade consiste na introdução/retirada da barra metálica imantada (movimentando-a) dentro das bobinas (Figura 4.8).

Salientamos a importância da discussão do termo fisicamente errôneo “força eletromotriz”30 que é usada por uma questão histórica.

Notadamente a discussão do fluxo magnético e da própria Lei de Faraday, poderá ser discutida na modelização computacional. Aqui obrigatoriamente, a fim de dar significado a transformação de energia, envolvido na atividade, deverá ser apresentado e discutido uma aplicação da indução eletromagnética que é o gerador de corrente (Figura 4.9).

Figura 4.9: Gerador eletromagnético

Após a realização de cada atividade complementamos a seqüência didática através de simulação computacional, detalhadas no capítulo 6. Com a construção de simulações no computador, tentamos fazer a ponte entre os conceitos estudados, a visualização planificada (na tela do computador) e a análise quantitativa, em que se destaca os equacionamentos possíveis, a forma de controle e os resultados esperados.

A seguir apresentaremos e analisaremos a aplicação desta seqüência de atividades experimentais no âmbito da disciplina de Física, com um grupo de alunos de uma Escola Pública Federal de Ensino Médio.

30 _{A força eletromotriz é uma grandeza escalar e não está relacionada ao conceito de força em} física (grandeza vetorial), mas sim a uma capacidade de um dispositivo (geradores) de realizar um trabalho (fornecer energia) as cargas que passam por este dispositivo.