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OS DESAFIOS DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSENA PERSPECTIVA DO PROFESSOR PDE
Produções Didático-Pedagógicas
Versão Online ISBN 978-85-8015-079-7Cadernos PDE
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PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL - PDE
EDSON DA COSTA FREITAS
PRÁTICAS DE LABORATÓRIO SOBRE ELETROMAGNETISMO PARA O ENSINO MÉDIO
APUCARANA
2014
PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL - PDE
EDSONS DA COSTA FREITAS
PRÁTICAS DE LABORATÓRIO SOBRE ELETROMAGNETISMO PARA O ENSINO MÉDIO
Produção Didático-Pedagógica apresentada à Universidade Estadual de Londrina (UEL) e à Secretaria de Estado de Educação do Paraná (SEED - PR) para o Programa de Formação Continuada intitulado Programa de Desenvolvimento Educacional (PDE). Orientador: Prof. Dr. Américo Tsuneo Fujii
APUCARANA 2014
FICHA DE IDENTIFICAÇÃO
DIÁLOGOS A RESPEITO DA EVOLUÇÃO HISTÓRICA DO CONCEITO DE FORÇA: DE ARISTÓTELES A NEWTON
Autor: Edson da Costa Freitas
Escola de Atuação e Aplicação:
Colégio Estadual Polivalente Ensino de 1° e 2° grau
Município da Escola Apucarana – Paraná
Núcleo Regional: Apucarana – Paraná
Orientador: Professor Dr. Américo Tsuneo Fujii
Instituição de Ensino Superior:
Universidade Estadual de Londrina
Disciplina/Área: Física
Produção Didático –Pedagógica:
Unidade Didática
Relação Interdisciplinar: Ciências, Matemática e Física
Público Alvo: Alunos do Ensino Médio
Resumo
O presente projeto objetiva discutir aspectos históricos sobre a Física
e desenvolver atividade experimental de baixo custo como uma
alternativa do aluno interessar pelo Eletromagnetismo um conteúdo
fascinante da Física mais abstrato, com isso o professor por meio de
experimentos leve seus alunos a desenvolverem hábitos de investigar
e pesquisar assuntos que contribuam para o aprimoramento de um
saber científico indispensável a uma atuação social e crítica para a
transformação de sua vida e do meio em que o cerca.
Palavras-chave: Ensino de Física – Experimentação – Eletromagnetismo–Motor elétrico
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Analisando os livros didáticos nas escolas verifica-se que os conteúdos são
tratados a partir de conceitos isolados, passando uma imagem da Física pronta e
terminada, pois os alunos tem sido expostos ao aparato matemático-formal, antes
mesmo de terem compreendido os conceitos de física. O que leva os alunos à falsa
ideia de que “estudar Física é o mesmo que estudar Matemática” ou que “Física é
pura Matemática”.
O conceito ainda permanece ausente na maioria dos livros didáticos e, por
conseguinte, dos planos de trabalhos docentes. Neste sentido, Martins (2007)
argumenta sobre a importância de trabalhar os conceitos físicos utilizando a História
e a Filosofia da Ciência:
A relevância da História e da Filosofia da Ciência para a pesquisa em ensino de ciências, sob diversos aspectos, tem sido apontada com bastante frequência na literatura especializada da área. A necessidade de incorporação de elementos históricos e filosóficos no ensino médio chega a ser praticamente consensual, o que passou a orientar currículos de parcela significativa das licenciaturas. No entanto, os professores do nível médio dificilmente incorporam esse tipo de conhecimento em suas práticas (MARTINS, 2007, p. 112).
Conforme a Diretriz Curricular da Educação Básica (PARANÁ, 2008, p. 56):
[...] ainda que a linguagem matemática seja por excelência uma ferramenta para essa disciplina, saber matemática não pode ser considerado um pré-requisito para aprender Física. É preciso que os estudantes se apropriem do conhecimento físico, daí a ênfase aos aspectos conceituais sem, no entanto, descartar o formalismo matemático.
Tradicionalmente a Física é considerada pelos professores uma disciplina difícil
de ensinar e consequentemente os alunos relatam dificuldades de aprendizagem dos
conteúdos, por isso procedimentos alternativos de ensino certamente são necessários
para instigar a participação dos alunos e aumentar o interesse pelos conteúdos
ministrados nas aulas de Física. Esses procedimentos devem ser dinâmicos e
permitirem a participação interativa dos alunos. Ou seja, é possível despertar no aluno
o gosto pela disciplina a partir da experimentação em sala de aula? Assim
considerando que a Física esta, em constante evolução.
C O N V E R S A N D O C O M O L E I T O R
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Atuando como professor de Física, percebo que a disciplina não é a preferida
dos alunos considerada uma matéria abstrata e de muitos cálculos pelos educandos
que ingressam no ensino médio.
A falta de interesse dos alunos, verificada na prática docente, pode relacionar-
se à ênfase que os livros didáticos dão à aplicação de fórmulas e resolução de
exercícios, focada a preparação para o vestibular, pode ser uma das causas da Física
não ser a disciplina preferida pelos alunos.
A Física é uma das ciências mais cativantes para se estudar, pois ela vem
desvendando os fenômenos naturais do Universo. É essa Física que temos que
mostrar para nossos alunos para instigá-los a serem os nossos cientistas de amanhã.
Mas para isso, a disciplina de Física do Ensino Médio deve ser trabalhada de forma
que os alunos, em sua maioria, sintam prazer em estudar física. Precisamos de
pressupostos teórico-práticos para revertermos este quadro, pois o que interessa é
que o aluno aprenda física e ao ressaltar o sentido da física como visão de mundo,
como cultura em seu sentido mais amplo, no seu dia a dia e nas novas tecnologias,
desenvolvendo assim um espírito crítico que lhe permite opinar e julgar
acontecimentos relevantes à sua formação cultural e científica.
Para isso, precisamos aprofundar nossos conhecimentos buscando meios que
proporcionem aos nossos alunos uma interação entre a teoria, a prática com o seu dia
a dia, viabilizando condições para que partam do senso comum para construção do
seu saber escolar.
Aos professores, esta Unidade Didática, tem por objetivo propor aulas práticas
e provocar a necessidade dessa interação entre teoria-prática. É preciso ter claro que
este é um material de apoio, ao qual o professor fará as intervenções que achar
necessário para facilitar aos alunos um aprendizado, partindo da teoria e da prática
de forma consistente ao desenvolver os experimentos, cujo objetivo é dar condições
a eles para refletirem sobre os conteúdos que contemplem a realidade vivenciada no
seu dia a dia.
A P R E S E N TA Ç Ã O
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CONCEITOS HISTÓRICOS
A origem exata do magnetismo ainda é um grande mistério. Uma lenda diz que
um pastor de ovelhas da Grécia Antiga, fez a primeira observação das propriedades
magnéticas de uma pedra, chamada de magnetita. Diz a lenda, que o pastor possuía
um cajado com a ponta de ferro, e cada vez em que era encostado na pedra, seu
cajado ficava preso por uma força inexplicável.
O nascimento do eletromagnetismo se deu no século XIX, com a clássica
experiência do físico dinamarquês Hans Christian Oersted (1771-1851). Em 1820, ele
verificou que, ao colocar um bussola sob um fio onde passava uma corrente elétrica,
verificava-se um desvio na agulha dessa bussola. A partir dessa experiência Oersted
estabeleceu uma relação entre as propriedades elétricas e magnéticas, dando origem
ao eletromagnetismo. O físico e matemático André-Marie Ampère (1775-1836)
construiu o primeiro eletroímã. Esse dispositivo foi fundamental para a invenção de
aperfeiçoamento de vários aparelhos, como o telefone, o microfone, o alto-falante, o
telégrafo etc. Michael Faraday (1791-1867), cientista autodidata inglês, deu sua
grande contribuição ao eletromagnetismo com a descoberta da indução
eletromagnética, fundamental para o surgimento dos motores mecânicos de
eletricidade e os transformadores.
Outros físicos também devem ser lembrados, por contribuições feitas ao
eletromagnetismo, como o físico norte-americano Josph Henay (1797-1878), que deu
continuidade aos trabalhos de Faraday sobre a indução eletromagnética, Heinrich
Lenz (1804-1865), físico russo que também se dedicou a estudar esse fenômeno,
Nicolas Tesla que estudou o campo magnético.
Finalmente, podemos citar em especial James Clerk Maxwell (1831-1879),
notável físico escocês, cuja participação teve importância teórica fundamental.
Maxwell em sua obra Tratado sobre eletricidade e magnetismo (publicada em 1873),
generalizou os princípios da eletricidade descobertos por Coulomb, Ampère, Faraday
e outros. Entre outros feitos, Maxwell descobriu através de equações matemáticas a
velocidade da luz com um percentual de erro muito pequeno, com relação aos dados
INTRODUÇÃO
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experimentais que temos hoje. A descoberta posterior das ondas eletromagnéticas
constituiu a verificação experimental do acerto da Teoria de Maxwell.
CAMPO MAGNÉTICO
Em física, definimos o campo magnético de forma bem análoga ao que
estudamos a respeito do campo elétrico e gravitacional. Nesses dois casos definimos
um campo gravitacional ou um campo elétrico como sendo a modificação no espaço
em função da presença de massa ou de cargas elétricas. Portanto, analogamente,
definimos o campo gravitacional como sendo a região do espaço onde um ímã, seja
ele em forma de barra ou de ferradura, manifesta sua ação. O campo magnético é
representado por um vetor chamado de vetor indução magnética, que pode ser
representado por B .
Usamos como unidade de campo magnético o símbolo T, denominado tesla.
Portanto, no SI a unidade de é tesla (T).
A direção do vetor indução magnética é aquela em que se dispõe a pequena
agulha e o sentido do vetor indução é aquele para onde o polo norte da agulha aponta.
Vejamos a representação abaixo.
Figura 1 – Direção do Vetor
Fonte: Marques (2015a).
Campo magnético dos ímãs
Figura 2 – Campo magnético de imãs
Fonte: Marques (2015a).
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Vejamos a figura acima, nela temos um ímã em forma de barra que cria à sua
volta um campo magnético. Limalhas de ferro colocadas à sua volta dão uma noção
de como é o campo magnético em torno desse ímã. Podemos ver que o campo é mais
intenso nas extremidades do ímã. A representação do campo magnético de um ímã
pode ser feita através das linhas de indução magnética.
A figura abaixo nos mostra uma representação gráfica do comportamento das
linhas de indução magnética de um ímã. Por convenção adotou-se que as linhas de
indução saem do polo norte do ímã e chega ao polo sul.
Figura 3 – Linhas de Indução
Fonte: Marques (2015a).
O campo magnético da Terra
“A terra possui uma alma magnética”, descreveu em 1600 o inglês William
Gilbert, primeiro cientista a estudar o fenômeno. Foi ele também quem comparou o
planeta a um ímã, o que explicaria o funcionamento das bússolas. Gilbert nunca
conseguiu provar sua teoria, mas estava no caminho certo: a terra tem um campo
magnético ao seu redor, formado por dois pólos que não coincidem com os
geográficos.
Hoje, a ciência sabe que esse campo magnético tem origem numa área
próxima ao centro da terra. Entre 2900 e 5200 quilômetros de profundidade, há um
fluido metálico constituído principalmente de ferro. Ele está em constante movimento,
graças à rotação da terra, a variações de temperatura e ao atrito com partes sólidas.
Essa movimentação forma uma corrente elétrica que acaba gerando o campo
magnético terrestre.
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As auroras polares são deslumbrantes, mas já inspiraram pânico ao longo da
história da humanidade. Os habitantes da Califórnia, nos Estados Unidos, viram o céu
avermelhado em 1941 e imaginaram ser um ataque dos japoneses. Erro parecido foi
cometido pelo imperador romano Tibério (42 a.C. -37d. C.), que confundiu a ocorrência
de uma aurora polar com as luzes de uma cidade em chamas. Batizadas por Galileu
Galilei de aurora boreal (de Bárias, deus grego do vento norte), mais tarde descobriu-
se que o fenômeno também acontece no hemisfério-sul nesse caso, é chamado de
aurora astral. Quem tirou as auroras do terreno da superstição foi o astrônomo inglês
Edmond Halley (1656-1742), associou-se o fenômeno ao magnetismo terrestre.
Formadas logo após os períodos de grande atividade no sol as chamadas
tempestades solares -, elas são resultados de uma chuva de partículas subatômicas
atraídas pelos pólos magnéticos da Terra. O vento solar reage com o oxigênio e o
nitrogênio, livres na atmosfera, 100 km acima de nossa cabeça. As partículas
aceleradas emitem luzes coloridas como se estivessem em um tubo de televisão,
liberando energia de ordem de um milhão de watts.
A invenção da bússola
A bússola é uma das invenções mais importantes de todos os tempos. Antes
dela, navegar não tinha nada de preciso. Tente imaginar como era viajar numa época
em que a melhor forma de se orientar na Terra era usando a estrela polar, a única que
praticamente não mudava de lugar no firmamento. Inconvenientes não faltavam. Em
primeiro lugar, ela só era visível no hemisfério norte. Alem disso, só se podia navegar
a noite, desde que o céu não estivesse nublado.
Com a bússola (do latim buxita, que quer dizer “caixinha”), as grandes
navegações não pararam mais quietas no lugar. Quase um milênio depois, no entanto,
já esta virando peça de museu. Atualmente, a um sistema de navegação mais
moderno e confiável do que uma simples agulhinha imantada. É o GPS (sigla em
inglês para sistema de posicionamento global). Com ele é possível voar ou navegar
com visibilidade praticamente nula, pois o aparelho informa a latitude, longitude e a
altitude de qualquer lugar do planeta. Mas engana quem pensa que o magnetismo
saiu de cena. O GPS funciona por transmissão, via satélite, de ondas
eletromagnéticas.
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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 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.
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ELETROMAGNETISMO NO ENSINO MÉDIO
Figura 4 - Motor elétrico
Fonte: Google.com
Temos a presença de motores elétricos por toda a parte, por exemplo, no
liquidificador, na batedeira elétrica, nos carrinhos de controle remoto, etc. Esses
motores têm como princípio básico transformar energia elétrica em energia mecânica.
Temos basicamente dois tipos de motores elétricos: o motor de corrente contínua (CC)
e o motor de corrente alternada (CA); ambos trabalham pela interação entre campos
elétricos e campos magnéticos.
Neste experimento vamos construir um sistema simplificado de motor de
corrente contínua e fazer uma aplicação de eletromagnetismo levando o aluno a ter
um contato maior com os motores elétricos, bem como ajudá-lo a entender o princípio
de funcionamento desses motores, reconhecer os fatores que influem no
funcionamento de um motor elétrico de corrente contínua, descrever o efeito do campo
magnético em cargas em movimento, descrever a ação do campo magnético sobre
uma corrente e analisar como funciona um motor elétrico.
Dois conceitos importantes, circuito elétrico e corrente elétrica, aparecem,
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
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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.
Contexto
O princípio básico do funcionamento do motor elétrico é a variação do fluxo
magnético e consequente geração da corrente induzida. Os motores elétricos
possuem seu funcionamento baseado na existência de uma força magnética,
associada à corrente elétrica em campos magnéticos, com a utilização de espiras.
O motor elétrico proposto funciona com base na repulsão entre imãs, um natural
e outro não-natural.
Lei de Faraday
Em relação ao fenômeno da indução eletromagnética, podemos afirmar que
uma corrente elétrica será induzida em um circuito fechado quando ele estiver sujeito
a um campo magnético que varia com o tempo. Essa afirmação é conhecida como
Lei de Faraday.
O sentido da corrente induzida é tal que o campo magnético por ela gerado
“compensa” a variação do campo magnético que a gerou (Lei de Lenz). Ou seja:
Se com o passar do tempo há um aumento das linhas de campo que
atravessam uma espira, aparecerá nela uma corrente induzida que criará um campo
magnético no sentido contrário ao do que induziu a corrente. Se com o passar do
tempo há uma diminuição das linhas de campo que atravessam uma espira, aparecerá
nela uma corrente induzida que criará um campo magnético no mesmo sentido do que
já existe no seu interior.
Em algumas experiências, Faraday percebeu que ao introduzir um ímã em
uma bobina esta acusava a presença de uma corrente elétrica na mesma. Este
fenômeno foi caracterizado qualitativamente e quantitativamente e deu origem à Lei
da Indução de Faraday que é expressa matematicamente como:
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(1)
Ou seja, a intensidade da força eletromotriz induzida (ε) é igual à variação
do fluxo magnético no interior da espira. Esta é uma das quatro equações de Maxwell
para o Eletromagnetismo.
Lei de Lenz
Lenz observou que a corrente elétrica induzida produzia efeitos opostos as
suas causas. Mais especificamente estabeleceu que o sentido da corrente elétrica
induzida é tal que o campo magnético criado por ela opõe-se à variação do campo
magnético que a produziu.
A lei de Faraday expressa somente a intensidade da força eletromotriz
induzida. Então em 1834 Heinrich E. Lenz (1804-1865) define que a força
eletromotriz é igual ao negativo da variação do fluxo magnético no interior da
espira, assumindo a forma:
(2)
Ou seja, esta lei especifica o sentido da força eletromotriz induzida. Neste caso,
o sentido da corrente elétrica é anti-horário para quando o norte do ímã se aproxima
da espira ou conjunto de espiras.
Experimento
Materiais
Um pedaço de fio de cobre esmaltado: aproximadamente um metro de fio (nº
26). Pode ser encontrado em casa de materiais elétricos ou eletrônicos ou então
retirado de rolamentos elétricos velhos.
Tiras de latas: Neste experimento foi utilizado presilhas de lata das pastas
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de cartolina que são vendidas em papelarias.
Pilhas: Acrescentar pilhas, ligadas em série, conforme necessidade de
montagem.
Ímã: Quanto mais intenso for o campo magnético melhor. Pode ser retirado de
alto falantes velhos ou encontrado em lojas de ferro velho.
Pedaço de madeira: servirá como base para a montagem.
Montagem
Para fazer a bobina enrola-se o fio de cobre num cano ou qualquer outro objeto
cilíndrico, com cerca de 3 cm de diâmetro. Deve-se deixar livre duas pontas de
aproximadamente 2 cm de comprimento, em cada extremidade.
A raspagem do esmalte do fio de cobre nas extremidades deve ser feito da
seguinte maneira: primeiro, deve-se raspar com uma lâmina todo o esmalte de
uma das extremidades, dando uma volta completa. A outra extremidade, só é
raspado o esmalte de meia volta do fio. Isso porque em um plano ambas as
extremidades estão raspadas, e em contato com as tiras, dando contato para a
passagem de corrente elétrica. E consequentemente no outro plano, somente uma
das extremidades em contato com as tiras estará raspada, não permitindo assim a
passagem de corrente elétrica. E consequentemente não gerando campo magnético
em torno da bobina.
Para fazer os suportes da bobina utiliza-se tiras de lata, dando-lhes o
formato indicado na figura a seguir e prendendo-as a uma base de madeira.
Figura 5 - Experimento 1
Fonte: Autor.
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Figura 6 - Experimento 2
Fonte: Autor
Coloque a bobina sobre o suporte, verificando se ela pode girar livremente.
Se isso não ocorrer, alinhe as extremidades da bobina de modo que elas fiquem bem
retas e opostas e veja se as depressões nos suportes estão em linha reta, no mesmo
nível e do mesmo tamanho;
Ligue com fios de cobre cada uma das lâminas do suporte a uma extremidade
da(s) pilha(s), prestando atenção para não deixar a faixa esmaltada das extremidades
da bobina em contato com o suporte.
Figura 7 - Experimento 3
Fonte: Autor.
Posiciona-se um ímã sobre um suporte qualquer de forma que fique
aproximadamente na mesma altura da bobina. Se o contato com a pilha for
estabelecido e a bobina não girar, talvez seja preciso, no início, girar a bobina
manualmente (dar um empurrãozinho).
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Explicação do experimento
O ímã não-natural neste experimento é uma bobina.
O conveniente de se usar ímãs não naturais num motor elétrico é a
possibilidade de se manipular (inverter) os pólos magnéticos.
O funcionamento deste motor elétrico pode ser explicado em alguns passos
(acompanhe pela figura abaixo):
1. Num primeiro momento, os fios raspados estão em contato com as tiras e a
corrente elétrica cria um campo magnético na bobina. Esta bobina por ter
liberdade de rotação entra em movimento, para se livrar da repulsão do ímã
comum, que está fixo à sua frente.
2. Em um quarto de volta, a bobina está parcialmente em contato com as tiras
e o campo magnético começa a perder sua força. Não deixando assim que
a atração do pólo sul da bobina pelo pólo norte do imã comum seja forte o
suficiente para frear o movimento.
3. Quando a bobina completa meia volta, começaria o processo inverso. Ou
seja, deveria existir um campo atrativo entre a bobina e o ímã. Mas isso só
aconteceria se os contatos estivessem ligados. Este contato não é
estabelecido, pois, esta atração frearia ou cessaria o movimento adquirido
no primeiro momento.
4. Completando-se mais um quarto de volta, o contato com as tiras começa a
se reestabelecer e o campo magnético a ganhar força. Neste momento a
bobina começa a ser repelida pelo ímã comum. Dado o movimento que a
bobina já possui, este ganha nova aceleração.
5. Volta-se à posição inicial e o ciclo recomeça.
Assim o processo continua periodicamente, enquanto existir corrente elétrica
passando pela bobina.
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Figura 8 - Explicação do experimento
Fonte: Autor.
Comentários
Dada a simplicidade do motor, para funcionar, ele é dependente das
dimensões e materiais usados. Portanto, algumas tentativas talvez sejam
necessárias até que o motor funcione adequadamente.
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.
Outra característica deste motor é que há determinadas combinações de
formas diferentes de se ligar os pólos da bateria às tiras e mesmo da posição da
espira sobre as tiras. Mas algumas poucas tentativas devem levar a uma das
combinações corretas.
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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.
Figura 9 – Giro da Bobina
Fonte: Marques (2015b).
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.
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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
Figura 10 – Polos de imã. a) Polo norte – b) Polo Sul
(a) (b) Fonte: Shimizu (2015).
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.
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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.
Figura 11 – Formato em U
Fonte: Shimizu (2015).
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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.
CONVITE AO RACIOCÍNIO
Essas questões devem ser respondidas pelos alunos com ajuda do aparato
experimental que montaram, descrito no Experimento do Motor Elétrico.
1. Qual a função do imã?
Gerar campo magnético para interagir com o campo magnético gerado pela
corrente elétrica (bobina).
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2. O que ocorre quando o fio é ligado à pilha?
Se o fio for ligado a uma pilha, de modo que uma corrente contínua seja nele
estabelecida, imediatamente a bobina sofrerá um deslocamento para cima. Verifica-
se que o campo magnético do ímã exerce uma ação sobre essa bobina. Isso indica
que sobre ele atuou uma força magnética (exercida pelo campo magnético do ímã)
perpendicular ao fio e dirigida para cima.
3. Há uma posição adequada para o imã?
Sim, o pólo norte deve ficar ou para baixo ou para cima. As posições dos pólos
Norte e Sul do imã se relacionam com o sentido do deslocamento da bobina que é o
mesmo sentido das linhas de indução do campo magnético.
4. Podem-se inverter os pólos do imã? Justifique.
Sim. A bobina inverte o sentido de rotação. O sentido da força na bobina é
invertido, porque inverte-se o sentido das linhas de indução do campo magnético.
5. Podem-se inverter as ligações nos pólos da pilha?Justifique.
Sim. A bobina inverte o sentido de rotação. Se o sentido da corrente no fio for
invertido observamos que a força magnética continuará a atuar perpendicularmente
ao fio, mas em sentido contrário ao anterior, dirigida para baixo.
6. Por que a bobina gira, quando o circuito elétrico é fechado?
Quando passa corrente elétrica pela bobina, ela se comporta como um ímã e
como tal, possui pólo N e S. Em seu interior surge um campo magnético perpendicular
ao plano da espira (o sentido depende do sentido da corrente) que interage com o
campo magnético do imã permanente. Ao aproximarmos da bobina um outro ímã, ela
iniciará o giro, desde que esteja em uma posição conveniente (S voltado para o N da
bobina). Isto produz uma repulsão contínua que faz a bobina girar.
7. O que é um motor elétrico?
É um dispositivo que utiliza a interação de um campo magnético com a corrente
elétrica, para produzir movimento de rotação. Com esse movimento de rotação
realiza-se trabalho.
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8. O motor funciona sem o imã?
Não, é preciso que a bobina (condutor) esteja mergulhada no campo magnético
de um imã.
9. O motor funciona sem corrente?
Não, se não há corrente no fio de cobre, verifica-se que o campo magnético
não exerce nenhuma ação sobre essa bobina. Se o fio for ligado a uma pilha, de modo
que uma corrente contínua seja nele estabelecida, imediatamente a bobina sofrerá
um deslocamento para cima. Isso indica que sobre ele atuou uma força magnética
(exercida pelo campo magnético) perpendicular ao fio e dirigida para cima.
10. O funcionamento do motor depende da posição do imã?
Sim, as posições dos pólos N-S do imã nos indicam o sentido do deslocamento
da bobina que é o mesmo sentido das linhas de indução do campo magnético.
11. O que acontece com o sentido de rotação da bobina, quando se invertem os pólos
do imã? Explique.
A bobina passa a girar em sentido contrário. Observa-se que o sentido da força
na bobina é invertido, quando invertemos as posições dos pólos N e S do imã: inverte-
se o sentido das linhas de indução do campo magnético. Assim, a bobina inverte o
sentido de rotação.
12. O que acontece com o sentido de rotação da bobina, quando se invertem as
ligações nos pólos da pilha? Explique.
A bobina passa a girar em sentido contrário. Se o sentido da corrente no fio for
invertido observamos que a força magnética continuará a atuar perpendicularmente
ao fio, mas em sentido contrário ao anterior, dirigida para baixo (use a regra da mão
direita - ver experimento do eletroímã). Assim, a bobina inverte o sentido de rotação.
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13. Por que a bobina gira, quando o circuito elétrico é fechado?
A corrente elétrica gera um campo magnético perpendicular ao plano da espira
(o sentido do campo magnético depende do sentido da corrente) que interage com o
campo magnético do ímã permanente.
A bobina sofrerá um deslocamento para cima, porque sobre ela atuou uma
força magnética (exercida pelo campo magnético perpendicular da bobina e dirigida
para cima, se o N da bobina estiver voltado para o S do ímã). Isto produz uma
movimentação contínua que faz a bobina girar.
14. Quantas "fontes" de magnetismo você observou? Quais?
Dois. Campo magnético do ímã e o campo magnético gerado pela corrente
elétrica da bobina.
15. O que é um motor elétrico?
É um dispositivo que utiliza a interação de um campo magnético com a corrente
elétrica, para produzir movimento de rotação. Com esse movimento de rotação
realiza-se trabalho.
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