Ampere - Introdução ao eletromagnetismo

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Introdução ao eletromagnetismo

Livro do professor

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Introdução ao eletromagnetismo LIVRO DO PROFESSOR

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Presidente Ricardo Uzal Garcia

Edição Maíra Corrêa Machado

Diretora Financeira Alzira Azeredo

Revisão Beatriz Rezende

Diretor de Operações William Garcia

Projeto Gráfico e Diagramação William Haruo, Aline Aliste, Luis Kinoshita

Diretora de Relacionamento, Marketing e Implementação Renata Bove

Engenharia de Produtos Didáticos Cláudio Azanha Jr., Joel Faria de Almeida

Diretora de Relações Institucionais Silvia de Araújo Donnini Equipe Pedagógica Mário Donizeti Domingos, Cristian Annunciato, Luisiana Andresa Carneiro, Marcio Cotomacci

Créditos Fotográficos Livro do aluno: P. 6: Andrey Kiselev/Photoxpress – p. 12: Louis Figuier/ Wikimedia – p. 18: Avda/Wikimedia Fotos dos procedimentos: Mário Donizeti Domingos

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (eDOC BRASIL, Belo Horizonte/MG) C397a

Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Experimenta.

Ampère: introdução ao eletromagnetismo: livro do professor / [Centro de Pesquisa da Experimenta – Educação em Ciências]. – Valinhos (SP): Experimenta, 2016 – (Oficinas Descobrindo a Ciência).

24 p. : il. ; 20 x 26,5 cm

ISBN 978-85-93201-51-6

1. Ciências (Ensino fundamental). 2.Eletromagnetismo. 3. Física. I. Título. II. Série.

CDD-537

Experimenta – Educação em Ciências Rua Luiz Lazaretti, 99 Vale Verde - Valinhos, SP - Brasil CEP 13279-010 Tel.: 55 19 3514-6900 www.experimentaciencias.com.br Impresso no Brasil 1ª edição / copyright © 2014 Experimenta – Educação em Ciências Ltda.

Reprodução proibida. Art. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998.

Impressão e acabamento Nome da gráfica, mês/ano Aplicação FSC

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Introdução ao eletromagnetismo LIVRO DO PROFESSOR

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Introdução ao eletromagnetismo

Sumário Atividade 1

Como funciona e como construir uma bússola?

Página 6

Atividade 2

Como criar um ímã utilizando a corrente elétrica?

Página 12

Atividade 3

Como utilizar a bússola e a bobina para construir um motor elétrico?

Página 18

Faça em casa

Construção de uma bússola Página 22

Bibliografia

Sites consultados

NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física básica. 4ª edição. São Paulo: Editora Edgard Blucher, 2002.

How compasses work. Disponível em: <http://adventure.howstuffworks.com/outdoor-activities/hiking/compass2.htm> Acesso em: nov. 2014.

HEWITT, P. G. Física conceitual. Tradução de Trieste Freire Ricci e Maria Helena Gravina. 9ª edição. Porto Alegre: Editora Bookman, 2002.

VALADARES, E. C, Física mais que divertida - Inventos eletrizantes baseados em materiais reciclados e de baixo custo.

Belo Horizonte: Editora da Universidade Federal de Minas Gerais, 2000.

MATON, A. et al Prentice Hall Science - Electricity and Magnetism. Nova Jersey:Prentice-Hall Inc, 1993.

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Apresentação Este material faz parte da coleção de oficinas Descobrindo a Ciência, desenvolvida pela Experimenta – Educação em Ciências. Esta coleção é composta por módulos que abordam diversos conteúdos da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias, de maneira prática, dinâmica e lúdica.

Grande parte dos equipamentos que utilizamos diariamente funciona com o uso de energia elétrica e ímãs. Na área médica, por exemplo, é cada vez maior o uso de aparelhos que utilizam princípios elétricos e magnéticos, como a ressonância magnética, que permite observar o interior do corpo humano e realizar exames para confirmar ou rejeitar diagnósticos. Muitos brinquedos e equipamentos elétricos que produzem movimento com o uso de energia elétrica utilizam ímãs para obter esse movimento.

Mesmo estando tão presentes na nossa vida, o estudo e a compreensão dos fenômenos elétricos e magnéticos ainda nos trazem muitas perguntas. Como funciona uma bússola? O que há dentro de um motor elétrico? O que é um eletroímã?

Nesta oficina, os alunos conhecerão a atração e a repulsão magnética, a geração de campo magnético com o uso de corrente elétrica e o funcionamento de equipamentos que utilizam ímãs, como bússolas e motores elétricos. Ao estudar a relação entre fenômenos elétricos e magnéticos, os alunos poderão conhecer e interpretar uma grande quantidade de eventos presentes nos mais variados momentos de suas vidas.

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C e u

Atividade 1

Atividade 1 Como funciona e como construir uma bússola?

O que será feito?

O

N

As b te a que tas, abe bús d.C. gráfi de do a com pod a re ímã e ap

esta atividade, os alunos construirão uma bússola e investigarão o seu funcionamento.

O tema desta aula tem forte ligação com as Grandes Navegações, evento histórico em que os exploradores, com o auxílio de seus equipamentos, puderam navegar por mar aberto e chegar a novos continentes, como o americano. Você pode ressaltar essa relação estreita entre os avanços e descobertas na história e o desenvolvimento da Ciência e da tecnologia.

Durante as Grandes Navegações, as bússolas permitiram que os exploradores se deslocassem longe das costas

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Objetivos Com a realização dos procedimentos propostos nesta atividade, espera-se que os alunos: • Conheçam como uma bússola funciona; • Percebam que a agulha da bússola é magnetizada e se orienta conforme o campo magnético externo (ímãs ou o campo magnético terrestre) ou pela presença de materiais que são atraídos por ímãs; • Aprendam como montar uma bússola utilizando ímãs.

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Como funciona e como construir uma bússola?

Materiais utilizados nesta atividade • Ímãs flexíveis com furo • Canudos plásticos

O que você vai fazer?

As bússolas são utilizadas há vários séculos. Durante as Grandes Navegações, as bússolas permitiram que os exploradores se deslocassem longe das costas, auxiliando na orientação dos barcos em mar aberto. Um dos primeiros registros de utilização de bússolas é na China Antiga, por volta do ano 1100 d.C. Mas ela não era utilizada para orientação geográfica. Lá, a bússola era um objeto mágico, capaz de fornecer informações sobre o futuro, orientando as decisões que as pessoas deveriam tomar. Mas como uma bússola funciona? Como uma bússola pode ajudá-lo a saber aonde você está indo? Qual a relação entre o funcionamento de uma bússola e ímãs? Nesta atividade, você construirá uma bússola e aprenderá a utilizá-la.

• Fios de cobre, 22 AWG, de 20 cm

Material por dupla

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Ímãs flexíveis com furo

Canudo plástico

• Alfinetes retos com cabeça

Fios de cobre, 22 AWG, de 20 cm

Alfinete reto com cabeça

• Copos plásticos de 300 mL

Copo plástico de 300 mL Bússola comum

• Bússolas comuns

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Atividade 1

Pratique!

Como funciona e como construir uma bússola?

Pratique!

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Deixe os alunos manipularem a bússola para se familiarizarem com ela. Antes de iniciar o procedimento, verifique se todas as agulhas das bússolas estão corretamente imantadas. Como os ímãs foram transportados junto com as bússolas, é possível que alguma(s) agulha(s) inverta(m) o sentido de magnetização. Peça a eles que apontem o sentido que o lado pintado da agulha (norte) está indicando. Caso alguma dupla indique um lado diferente das demais, é preciso corrigir a magnetização da agulha antes de iniciar a atividade.

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A bússola foi e ainda é um equipamento muito utilizado para se encontrar a direção norte-sul. Mas como funciona? Você sabe como utilizar uma bússola?

Procedimento 1

Conhecendo uma bússola I) TODO ÍMÃ POSSUI dois polos, chamados de norte e sul.

Com o lápis, identifique os polos do seu ímã aproximando-o da bússola comum. O polo que atrair o lado pintado da agulha é o polo sul do ímã. O outro polo será o norte.

II) MANTENDO SEMPRE O mesmo polo do ímã voltado para a bússola, movimente-o ao redor dela. Descreva o que acontece com a agulha.

III) SEGURANDO A BÚSSOLA na mão, longe de ímãs e outros objetos que são atraídos por magnetos, gire-a lentamente e observe o que ocorre com a agulha. Como você explicaria isso?

Procedimento do professor

IV) OBSERVE A AGULHA da bússola. Você sabe indicar as direções norte-sul e leste-oeste no local em que está agora?

Como alterar a magnetização de uma bússola?

I) Pegue dois ímãs e, com um lápis, identifique os seus polos norte e sul. Você pode utilizar uma bússola que não esteja com a magnetização invertida ou ainda suspender um ímã por uma linha e observar a direção que ele indica ao parar. A face voltada para o lado norte, evidentemente, será o polo norte do ímã, e a face voltada para o sul, o polo sul do ímã.

II) Pegue outro ímã e coloque-o sob a bússola de maneira que a agulha fique parada, sem girar.

III) Coloque o polo norte de um dos ímãs próximo à ponta pintada da agulha da bússola e o polo sul do outro ímã na outra ponta da agulha. Retire o ímã que estava sob a bússola e deixe-o com os outros dois ímãs por alguns minutos.

IV) Retire os ímãs e verifique se a magnetização está correta. Caso não esteja, repita o procedimento.

2

Para conhecer melhor o funcionamento de uma bússola, você construirá um modelo maior que a bússola comum. Siga as orientações a seguir.

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Procedimento 1

Conhecendo uma bússola I) Peça aos alunos para identificar a localização dos polos norte e sul do ímã. Você pode fazer três desenhos no quadro para que eles indiquem como está a magnetização do ímã que estão utilizando.

N N

N S

S

S

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Para evidenciar que a agulha de uma bússola é um ímã, os alunos utilizarão o próprio magneto para construir uma bússola didática. Esse equipamento utiliza dois ímãs, separados por uma distância maior que 20 cm, que giram apoiados na ponta de um alfinete, o que garante pequeno atrito.

Procedimento 2

Construção de uma bússola

I) CURVE OS DOIS fios no meio, em

a se abe

volta do dedo.

Procedimento 2 II) ARRANJE OS DOIS ímãs

de modo que eles se grudem lado a lado, como mostrado. Enfie até um terço de um fio dobrado pelas pontas através do orifício no centro de um dos ímãs. Em seguida, faça o mesmo com o outro fio no outro ímã.

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a -

Construção de uma bússola I a III) Ao se colocar os ímãs grudados lado a lado, devido à orientação da magnetização deles, garante-se que as duas faces maiores dos ímãs que estão voltadas para um mesmo lado são polos magnéticos diferentes. É importante que os alunos coloquem as pontas dos fios pelo mesmo lado para garantir que a bússola não fique com dois polos iguais.

s e a III) SEM REMOVER O fio, se-

pare os dois ímãs. Separe também as pontas abertas dos fios e enrole cada uma delas em volta dos lados compridos do ímã. Dobre a extremidade com a alça para cima sobre o topo e deixe-a se projetar para a frente. Em seguida, faça o mesmo com o outro ímã.

-

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Os alunos deverão perceber que os ímãs que receberam estão magnetizados conforme a figura do meio. Para que percebam isso, peça que girem os ímãs posicionados próximos às agulhas das bússolas e observem. Um polo do ímã sempre atrairá a mesma ponta da agulha.

II) Os alunos deverão perceber que a agulha gira acompanhando o movimento do ímã, e que isso ocorre devido à atração magnética entre ela e o polo do ímã que está mais próximo da bússola.

III) Ao girar lentamente a bússola, os alunos deverão observar que a agulha mantém sempre a orientação, mesmo estando afastada de ímãs e outros objetos ferromagnéticos (atraídos por ímãs). Na explicação, os alunos deverão perceber

que as agulhas das bússolas estão se alinhando a um campo magnético de forma semelhante ao que observaram quando estavam próximas dos ímãs, mas que, neste caso, é o campo magnético terrestre.

IV) Para indicar as direções norte-sul e leste-oeste com a bússola, os alunos deverão girar o mostrador até que a ponta pintada da agulha fique sobre a letra “N”. Nessa posição, o mostrador indica as direções desejadas. Vale lembrar que a agulha de uma bússola não fica exatamente alinhada com a direção norte-sul por causa das diferenças na localização dos polos geográficos e magnéticos da Terra e também das anomalias magnéticas locais.

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Atividade 1

Como funciona e como construir uma bússola?

Procedimento 2 (continuação)

Construção de uma bússola IV) VERIFIQUE SE OS lados dos ímãs

longe da alça se atraem mutuamente. Se eles se repelirem, volte à etapa II, remova o fio de um dos ímãs, gire-o do lado contrário e passe o fio por ele novamente. Os ímãs devem se grudar, com as pontas das alças apontando em direções opostas.

Procedimento 2 (continuação)

Construção de uma bússola IV) Caso alguma dupla de alunos constate que os ímãs não se estão atraindo, peça que soltem o fio e refaçam os passos de II a IV.

V) INSIRA AS PONTAS das alças nas extremidades do canudo.

V) Oriente os alunos a pressionarem um pouco a alça do fio para que consigam inseri-las no canudo plástico. O ideal é que as alças entrem sob pressão e que não fiquem folgadas, para facilitar os ajustes no equilíbrio.

VI a VIII) O ajuste do equilíbrio deve ser feito passo a passo. Os alunos deverão perceber que, se um dos ímãs estiver mais alto que o outro, basta puxar um pouco a alça do ímã que está mais alto no sentido contrário ao copo, até que fiquem nivelados na horizontal. Para facilitar esse processo, sugira aos alunos que deixem o canudo mais próximo do fundo do copo, a uma distância de aproximadamente 0,5 cm. E, para deixar o alfinete na vertical, os alunos deverão girar levemente os ímãs.

VI) EQUILIBRE O CANUDO sobre seus dedos indicadores e aproxime-os até se encontrarem. A posição do canudo exatamente sobre os dedos é o centro de gravidade da montagem. Pregue o alfinete no canudo exatamente no centro de gravidade encontrado. A ponta do alfinete deve ficar cerca de 5 mm abaixo do canudo. Não faça mais que um ou dois furos no canudo ou o alfinete escorregará.

FIQUE ATENTO Não fure o copo com o alfinete. Ele deve ficar livre para girar junto com o canudo.

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3

Os alunos deverão observar que todas as bússolas ficam alinhadas, com todas as agulhas (conjunto formado pelo canudo e pelos ímãs) paralelas entre si.

Na comparação com a bússola comum, eles deverão perceber que ambas indicam a mesma direção.

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3

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VII) EQUILIBRE O CANUDO apoiando a ponta do alfinete em cima de um copo com a boca para baixo. Ajuste o equilíbrio do canudo empurrando um pouquinho os fios para dentro ou puxando-os um pouco para fora, conforme necessário.

Como explicar?

Nosso planeta possui um campo magnético que o envolve totalmente. É como se houvesse um grande ímã no interior da Terra, com os polos magnéticos quase alinhados à direção norte-sul. É devido a esse campo que se pode utilizar uma bússola de orientação. Toda bússola apontará a mesma direção do campo magnético terrestre, a menos que esteja próxima de ímãs ou materiais ferromagnéticos.

VIII) PROCURE DEIXAR O alfinete na vertical. Para isso, você pode girar os ímãs ou torcer um pouco os fios.

FIQUE SABENDO Nosso planeta possui um campo magnético ao seu redor, como se no seu interior houvesse um grande ímã, com o polo magnético norte no Hemisfério Sul e o polo magnético sul no Hemisfério Norte. As agulhas das bússolas, que são pequenos ímãs, se alinham a esse campo.

3

Deixe sua bússola longe das construídas pelas outras duplas e também de objetos que são atraídos por ímãs. Observe a direção que a bússola indica ao parar e compare com as de seus colegas. Compare também com a direção indicada pela agulha da bússola comum.

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Aproxime sua bússola de uma construída por outra dupla. Procure manter certa distância entre elas de maneira que os ímãs não se encostem. O que acontece? Como você explica isso?

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4

Ao aproximarem duas bússolas, os alunos deverão perceber que há atração ou repulsão entre os ímãs, o que faz com que as agulhas fiquem alinhadas em outra direção. Procure destacar que a direção que a bússola indica depende da força magnética que atua sobre os ímãs (agulha). Quando as agulhas estão próximas de ímãs ou de outros materiais ferromagnéticos, a direção da agulha muda.

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Atividade 2

Atividade 2 Como criar um ímã utilizando a corrente elétrica?

C ím c

O que será feito?

O

O

s alunos irão refazer o experimento realizado por Oersted, em que se percebeu que um fio percorrido por corrente elétrica altera a direção indicada por uma bússola, e também construirão uma bobina para amplificar esse efeito. Eles deverão observar que o sentido do campo magnético gerado varia de acordo com o sentido da corrente elétrica que circula pelo fio.

Em um corr vim trici trom cien fenô por mot com um vim aum uma ted

Hans Christian Oersted fez os primeiros experimentos que acabaram por unificar a eletricidade e o magnetismo.

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Objetivos Com a realização dos procedimentos propostos nesta atividade, espera-se que os alunos: • Relacionem a passagem da corrente elétrica à geração do campo magnético; • Identifiquem a orientação do campo magnético gerado ao redor do fio; • Relacionem o sentido do campo magnético gerado ao sentido da corrente elétrica que percorre o fio.

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Como criar um ímã utilizando a corrente elétrica?

Materiais utilizados nesta atividade • Rolo de fita crepe • Porta-pilhas duplo AA com garra jacaré

O que você vai fazer?

Em 1820, Hans Christian Oersted percebeu que um fio próximo a uma bússola, pelo qual circulasse corrente elétrica, fazia com que a agulha se movimentasse. Esse foi o início da unificação da eletricidade e do magnetismo, que resultaria no eletromagnetismo. A partir dessa descoberta, vários cientistas buscaram fazer experiências com outros fenômenos elétricos e magnéticos, o que permitiu, por exemplo, o desenvolvimento de geradores e motores elétricos e a transmissão de informação com o uso de ondas eletromagnéticas. Mas como um fio que transporta corrente elétrica pode movimentar a agulha de uma bússola? Como se pode aumentar esse efeito? Nesta atividade, você fará uma experiência semelhante à realizada por Oersted e aprenderá a construir uma bobina.

• Bússolas comuns • Pilhas AA

Material para a classe Rolo de fita crepe

• Soquetes com mola

Material por equipe

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Porta-pilhas duplo AA com garra jacaré

• Parafusos sextavados de 9 mm x 1/2”

Bússola comum Pilhas AA m de fio-cabo encapados, 22 AWG

• Copos plásticos de 300 mL

Soquete com molas Parafuso sextavado de 9 mm x ½” Copo plástico de 300 mL

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• Fios-cabo encapados, 22 AWG, de 2 m

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Atividade 2

Como criar um ímã utilizando a corrente elétrica?

Pratique!

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Utilizando somente fios, pilhas e porta-pilhas, busque uma maneira de mover a agulha da bússola comum. Como você pode fazer isso?

Pratique!

FIQUE ATENTO Quando for testar suas ideias, não deixe o interruptor de pulso ligado por muito tempo para não descarregar as pilhas. A agulha da bússola deve se mover no momento em que se ligar o interruptor. Caso isso não ocorra, desligue o interruptor e busque outras maneiras.

1

Deixe os alunos explorarem o material, buscando uma forma de resolver o desafio. Só peça que deixem os fios conectados às pilhas por apenas alguns segundos para as pilhas não descarregarem rapidamente. Quando a primeira equipe conseguir resolver o desafio, peça aos alunos que expliquem como conseguiram, para que outras equipes verifiquem e tentem reproduzir o experimento.

Procedimento 1

Construção de um circuito elétrico com interruptor de pulso

I) ROSQUEIE O PARAFUSO no so-

quete de modo que a ponta do parafuso não fique em contato com a base do soquete, mas muito próximo a ela. Esse será o seu interruptor de pulso. Quando você pressionar o parafuso para baixo, ele encostará na base do soquete e fechará o circuito.

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Procedimento 1

Construção de um circuito elétrico com interruptor de pulso I) O conjunto formado pelo soquete e pelo parafuso formará um interruptor de pulso. Com esse equipamento, os alunos poderão controlar a passagem da corrente elétrica pressionando o parafuso e estabelecendo o contato entre os terminais.

II e III) Peça aos alunos que observem, antes de fazerem as conexões, se a ponta do parafuso não está em contato com a base do soquete.

Se estiver, peça que o desrosqueiem um pouco para mantê-los afastados.

Após as montagens, deixe os alunos testarem suas ideias. Caso perceba que as estruturas de ferro da carteira ou da mesa onde estão realizando a atividade esteja interferindo na orientação da bússola, sugira aos alunos que usem o copo de 300 mL com a boca voltada para baixo para apoiar a bússola. Caso nenhuma equipe consiga movimentar a agulha da bússola, proponha a montagem representada a seguir.

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II) CONECTE UMA DAS pontas do fio a um dos terminais do soquete. No outro terminal, prenda uma das garras jacaré do porta-pilhas.

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III) CONECTE A OUTRA ponta do fio à outra garra jacaré do porta-pilhas. Utilize esse circuito para realizar seus testes.

FIQUE ATENTO Não deixe que o parafuso fique em contato com a base do soquete por muito tempo. Isso fará com que as pilhas se descarreguem e prejudicará o desenvolvimento deste e do próximo procedimento.

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s a , L a Segure um pedaço do fio paralelamente à direção da agulha, acima (fotos superiores) ou abaixo (fotos inferiores) e acione o interruptor de pulso. A agulha deve se mover no momento em que o interruptor é ligado.

Os alunos deverão perceber que, ao acionarem o interruptor de pulso e estabelecerem a passagem da corrente elétrica, a agulha da bússola gira. O sentido de giro vai variar de acordo com as ligações dos terminais do porta-pilhas, que definem o sentido da corrente no circuito e também da posição do fio em relação à bússola.

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Com o fio de 2 m, demonstre aos alunos por que é possível aumentar a intensidade do campo magnético gerado com o uso de uma bobina. Estique um pedaço de fio e peça que expliquem como será o campo magnético que surgirá ao se colocar esse fio em um circuito elétrico. Os alunos deverão indicar que o campo será circular, ao redor do fio, como observaram na atividade anterior. Faça, então, uma única espira e mostre aos alunos como será o campo magnético. No centro da bobina, ele será mais intenso, devido ao novo formato do fio. Cada pequeno trecho do fio colabora com a criação de um campo magnético mais intenso. Ao fazer várias espiras, uma sobre as outras, esse efeito se acumula a cada volta, aumentando a intensidade do campo magnético.

Atividade 2

Como criar um ímã utilizando a corrente elétrica?

2

Uma forma de aumentar a intensidade do campo magnético gerado com a passagem da corrente elétrica é com a construção de uma bobina. Siga as instruções a seguir para fazer a sua.

Procedimento 2

Montagem da bobina e do circuito

I) ENROLE O FIO ao redor dos dedos, formando uma bobina. Em seguida, enrole as pontas dos fios ao redor da bobina para que ela não se desenrole. Deixe uma das pontas do fio com cerca de 10 cm.

II) PRENDA UMA DAS pontas do fio da bobina em um dos terminais do interruptor de pulso e a outra ponta em uma das garras jacaré do porta-pilhas. Ligue a outra ponta da bobina com a outra garra jacaré.

Procedimento 2

Montagem da bobina e do circuito I) Os alunos deverão enrolar o fio ao redor de apenas dois dedos. O número de voltas que se pode dar será maior quanto menor for o diâmetro da espira.

II) Neste momento da montagem, peça aos alunos que verifiquem se ao ponta do parafuso não está em contato com a base do soquete antes de conectarem as garras jacaré. Isso evitará que se feche um curto-circuito, o que poderia descarregar as pilhas.

III) A fixação da bobina no copo plástico é para facilitar a realização dos testes com a bússola que virão a seguir.

Peça que coloquem a bobina com uma das bordas alinhadas ao fundo do copo, como mostrado na foto.

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3

Lembre os alunos de que eles não deverão manter o parafuso pressionado por muito tempo para não descarregar as pilhas. Caso alguma equipe indique que não está observando nenhuma movimentação da agulha, peça que façam as seguintes alterações: • Procurem posicionar a bússola e a bobina de maneira que a agulha da bússola não fique com uma das pontas alinhadas com o centro da bobina; • Verifiquem as conexões dos fios, pilhas e soquetes.

Os alunos deverão observar que, com a passagem da corrente elétrica, uma das pontas da agulha da bússola é atraída e aponta na direção do centro da bobina.

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Para que possam analisar como a alteração no sentido da corrente altera o movimento da agulha, peça aos alunos que, antes de inverterem a ligação das garras jacaré, observem qual ponta da agulha é atraída pelo centro da bobina. Eles poderão utilizar como referência as cores diferentes das pontas da agulha. Ao inverterem o sentido da corrente, os alunos deverão observar que a ponta da agulha a ser atraída é a outra.

III) PRENDA A BOBINA na lateral de um copo de 300 mL com fita crepe.

3

Aproxime a bússola comum do centro da bobina e pressione o parafuso por alguns segundos para fechar o circuito elétrico. Observe e descreva o que acontece com a agulha da bússola.

4

Inverta a ligação das garras jacaré no circuito e repita o passo 3 desta atividade. Como essa alteração no circuito alterou o movimento da bússola?

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Como explicar?

Em 1820, Oersted percebeu que cargas elétricas em movimento geravam campo magnético. Esse foi o impulso inicial que, muitos anos depois, resultaria na unificação de duas áreas da Ciência – a eletricidade e o magnetismo. Os campos magnéticos que conhecemos são causados por movimentos de cargas elétricas. O movimento de rotação dos elétrons em torno de si (spin) e o movimento dos elétrons ao redor do núcleo são os responsáveis pelos efeitos magnéticos que observamos com um ímã. Uma das teorias mais aceitas sobre a origem do campo magnético terrestre associa-o com o movimento de cargas elétricas que giram ao redor do núcleo sólido da Terra. Como esse movimento não é constante, podendo ao longo de milhares de anos diminuir e até mesmo se inverter, o campo magnético terrestre também não é constante, ocorrendo alterações na sua intensidade e também na sua orientação.

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Atividade 3

C b p m

Atividade 3 Como utilizar a bússola e a bobina para construir um motor elétrico?

O que será feito?

O

s alunos utilizarão a bússola da Atividade 1 e a bobina da Atividade 2 para construir um modelo de motor elétrico.

Como desafio, eles deverão encontrar uma forma de fazer a agulha da bússola girar com a maior velocidade possível. Para resolver essa questão, eles deverão sincronizar o acionamento do circuito elétrico com a velocidade de giro da agulha, de forma semelhante ao que acontece em alguns motores elétricos.

O

Os equ res, e at esse trica elét perm con cer Hoje em dia os motores elétricos são utilizados até mesmo em carros.

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Objetivos Com a realização dos procedimentos propostos nesta atividade, espera-se que os alunos: • Conheçam o princípio de funcionamento de um motor elétrico que utiliza ímãs e bobinas; • Percebam que, para o motor permanecer girando, é preciso sincronizar a passagem da corrente elétrica com o movimento do motor.

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Como utilizar a bússola e a bobina para construir um motor elétrico?

O que você vai fazer?

Os motores elétricos são utilizados em diversos equipamentos. No sistema de vibracall dos celulares, em brinquedos elétricos, nos eletrodomésticos e até nos motores dos carros é possível encontrar esses equipamentos, que transformam energia elétrica em movimento. Mas como funciona um motor elétrico? O que há dentro desses equipamentos que permite obter movimento? Nesta atividade, você construirá um modelo de motor que permite conhecer o princípio do seu funcionamento.

Materiais utilizados nesta atividade • Ímãs flexíveis com furo • Canudos plásticos • Fios de cobre, 22 AWG, de 20 cm

Material por equipe

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• Alfinetes retos com cabeça

Bússola (montada na Atividade 1) Circuito com bobina (montado na Atividade 2)

• Copos plásticos de 300 mL • Rolo de fita crepe • Porta-pilhas duplo AA com garra jacaré • Bússolas comuns 19

• Pilhas AA • Soquetes com mola • Parafusos sextavados de 9 mm x 1/2” • Fios-cabo encapados, 22 AWG, de 2 m

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Atividade 3

Como utilizar a bússola e a bobina para construir um motor elétrico?

Pratique!

Pratique!

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Acompanhe as montagens dos alunos, recordando-os dos mesmos cuidados que tiveram nas Atividades 1 e 2.

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Siga as orientações de montagem das Atividades 1 e 2 e monte novamente a bússola e o circuito elétrico com a bobina.

Posicione a bússola e a bobina como apresentado na imagem a seguir.

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Como o campo magnético é mais intenso no centro da bobina, oriente os alunos a alinharem os ímãs da bússola a ele.

Para isso, eles poderão mudar a posição do alfinete no canudo e mudar a altura que a bobina está fixada no copo.

3

Busque uma maneira de fazer a bússola girar, com a maior velocidade possível, acionando o interruptor de pulso e aproximando ou afastando a bobina dos ímãs, mas sem deixar que se toquem. Quando conseguir, descreva como resolveu o desafio.

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Deixe os alunos buscarem a melhor forma de resolver o desafio. Relembre-os somente que, para não descarregar as pilhas, eles não deverão deixar o circuito ligado por muito tempo. Se quiser comparar as soluções apresentadas por cada equipe, você pode estabelecer um teste no qual a agulha da bússola deverá começar parada e a equipe deverá dar o maior número de giros que conseguir em um minuto. Para iniciar o giro, os alunos poderão movimentar a bobina em relação aos ímãs para atraí-los ou repeli-los.

Durante os testes, verifique se os alunos perceberão que, para fazer o motor girar mais rápido, eles precisarão ligar e desligar o circuito conforme as pontas da agulha da bússola se aproximam da bobina. Eles poderão utilizar a força de atração, repulsão ou ambas para resolver o desafio.

1

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Conforme cada equipe resolver o desafio, peça que apresentem às demais equipes para compararem as semelhanças e diferenças entre cada uma das soluções encontradas.

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Nas fotos 1 e 2, a bobina é acionada quando o ímã atraído por ela está se aproximando. Pouco antes de o ímã ficar alinhado com o centro da bobina (foto 3), o circuito elétrico deve ser desligado. Assim, o giro continua por inércia.

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Como explicar?

FIQUE SABENDO Os motores elétricos de corrente contínua são muito utilizados em brinquedos e outros equipamentos que utilizam pilhas ou baterias. Dentro desses motores há ímãs na carcaça e bobinas no rotor. Quando a corrente elétrica circula por essas bobinas, a força magnética que surge entre os ímãs e as bobinas faz o motor girar.

Em um motor elétrico, são as forças de atração e repulsão que há entre os ímãs e as bobinas que produzem movimento. Os ímãs se movimentam, atraídos ou repelidos pela bobina, até que atinjam uma posição de equilíbrio. Se a corrente elétrica circulando pela bobina for mantida, o ímã atraído por ela vai se mover até ficar o mais próximo possível e não vai mais girar. É por isso que é necessário controlar a passagem da corrente elétrica, ligando e desligando a bobina, para que os ímãs possam girar com a maior velocidade possível. Em alguns motores elétricos de corrente contínua, os ímãs são utilizados presos a uma estrutura externa e são as bobinas que se movimentam. Nesses equipamentos, o comutador é o responsável por controlar a passagem da corrente elétrica por todas as bobinas do rotor, fazendo com que a força que mantém o motor funcionando seja praticamente a mesma o tempo todo.

Terminais

Bobina de fio de cobre esmaltado Núcleo de ferro

Rotor

Eixo de rotação

Ímã

Carcaça metálica

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Nos motores comuns, que funcionam com pilhas e baterias, as bobinas estão enroladas ao redor de núcleos de ferro, que podem ser de três a várias dezenas. Cada bobina gira no sentido de alinhar o seu campo magnético com o campo magnético obtidos pelos ímãs fixos à carcaça. Se todas as bobinas fossem percorridas pela corrente elétrica o tempo todo, o motor tenderia a parar quando os campos se alinhassem. O comutador, que gira em contato com as escovas, possibilita que a corrente elétrica circule somente por uma das bobinas. Quando esta se aproxima do ímã, a corrente é desligada e passa a circular pela próxima bobina, dando continuidade ao movimento.

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Faça em casa

Construção de uma bússola

Faça em casa Construção de uma bússola

Material

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Disco de EVA Alfinete

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Pote com água Ímã

Construção de uma bússola

A

construção da bússola pode ser realizada em sala de aula ou em casa, de acordo com o tempo e a autonomia dos alunos. Oriente-os a fazer a magnetização do alfinete e a como transpassar o disco de EVA com cuidado para que não machuquem os dedos. Lembre-os de que poderão magnetizar o alfinete novamente sempre que perceberem que ele não está mais funcionando como uma agulha de bússola.

I) SEGURE O ALFINETE e passe o ímã sobre ele, sempre no mesmo sentido, cerca de 50 vezes.

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II) COM CUIDADO, ATRAVESSE o disco de EVA com o alfinete pelo diâmetro do disco.

III) COLOQUE O DISCO com o alfinete no pote com água. Aproxime da lateral do pote, sem encostar, um dos polos do ímã e veja como sua bússola funciona.

IV) MANTENHA O ÍMÃ próximo ao pote, girando-o em diferentes sentidos. Veja como a agulha da bússola reage.

Boa atividade!

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