Universidade Federal do Paraná Departamento de Física
Relatório Final – Experimento Experimento de Oersted
Curso: Licenciatura em Física Disciplina: Projetos Integrados I Professor: Lauro Luiz Samojeden Estudante: Vinnius Hirdes Krüger
1. Introdução
Este trabalho apresenta um roteiro avaliativo para uma atividade experimental para o ensino médio. A experiência escolhida para construção do experimento e respectivo roteiro experimental foi o experimento de Oersted. Dentre os requisitos a serem desenvolvidos neste trabalho chama a atenção o fato do experimento necessariamente conter medidas pois muitos experimentos científicos clássicos não têm medidas como resultado, mas sim observações e relatos escritos. Além disso, grande maioria das experiências realizadas no ensino médio são qualitativas e demostrativas, devido ao fato de que os alunos estão formando conceitos acerca dos fenômenos físicos e também alguma compreensão sobre o método científico. A ênfase demasiada em medidas pode tornar o experimento tedioso e muitas vezes ineficaz em relação aos objetivos no contexto do ensino de ciências, visto que possui como ponto central a matematização do fenômeno que não proporciona necessariamente a compreensão do fenômeno observado como um todo, a relação com outros fenômenos de diferentes ramos da física e a contextualização daquele fenômeno no cotidiano do aluno, tecnologia e na sociedade. O experimento de Oersted foi escolhido em função da importância deste para a compreensão e relação entre os fenômenos elétricos e magnéticos, fenômenos que são aparentemente distintos e que possibilitam a compreensão das bases da comunicação a distância, tecnologia desenvolvida no final do século XVIII com a invenção do telégrafo sem fio.
2. Roteiro Avaliativo a) Identificação A identificação já feita na capa. b) Objetivos Este experimento possui como objetivos: 1. Proporcionar ao estudante contato com os fenômenos eletromagnéticos; 2. Compreender o conceito de campo magnético e de que forma esta grandeza pode ser medida; 3. Compreender de que forma a corrente elétrica está associada a um campo magnético.
c) Breve histório do contexto do experimento O estudo dos fenômenos elétricos têm origem na observação da curiosa propriedade que certos materiais têm em atrair outros, um dos primeiros materiais que observou-se ter esta propriedade de atração foi o âmbar (resina fóssil), o nome elétrico vem de eléktron que significa âmbar em grego. Já o estudo dos fenômenos magnéticos teve origem em um pedra chamada magnetita, que também possui a propriedade de atrair outros materiais como por exemplo o ferro. Durante o século XVIII surgiram muitos cientistas que fizeram experimentos para melhorar a compreensão dos fenômenos elétricos e magnéticos. Havia alguns indícios que estes dois fenômenos podiam estar relacionados, porém havia grande dificuldade em relacionar os dois fenômenos. Em 1820 Hans Christian Oersted publicou um trabalho que descreve a interação entre um fio condutor circulado por corrente elétrica e uma bússola.
Este experimento é muito importante porque relaciona de forma clara um fenômeno elétrico (corrente elétrica) a um fenômeno magnético (deflexão da bússola), fenômenos até então aparentemente independentes.
d) Breve descrição física do experimento O experimento consiste em conectar em série por meio de um fio condutor de cobre uma bateria de 9V e um potenciômetro. O fio em seu percurso passa por cima da bússola. Será observada um deflexão do ponteiro da bússola que deve ser proporcional a intensidade de corrente elétrica percorrida no fio. Em um segundo momento serão feitas medidas de corrente elétrica e da deflexão correspondente do ponteiro da bússola. e) Breve teoria em que está inserido o experimento e.1 Ímas A magnetita, mineral encontrado em abundância na região da Magnésia na Ásia Menor, é conhecida como sendo um ímã natural. Os ímãs tem propriedades curiosas. Uma delas é o fato de que se um ímã de formato alongado for pendurado pelo seu centro de massa, veremos que ele fica sempre alinhado na direção geográfica norte-sul. A extremidade que aponta para o norte é chamada de pólo norte do ímã. A outra, apontada para o sul é denominada pólo sul do ímã. Essa característica passou a ser aproveitada como elemento de orientação, particularmente nas grandes navegações (séculos XV e XVI), nas ocasições em que os astros não eram facilmente observáveis. A bússola é o aparelho que explora essa característica, constituído apenas de uma pequena agulha imantada, apoiada em seu centro de massa. e.2 Campo magnético O que é campo magnético? Campo magnético é uma região do espaço na qual um pequeno corpo de prova fica sujeito a uma força de origem magnética. Esse corpo de prova deve ser um pequeno objeto feito de material que apresente propriedades magnéticas.
Uma maneira de visualizar essa força atuando sobre pequenos corpos que possuem propriedades magnéticas é utilizar limalha de ferro e um ímã. A Fig. 1 abaixo ilustra mostra as partículas de ferro alinhando-se devido a força magnética do ímã, mostrando então a forma do campo magnético.
Figura 1 Limalha de ferro em torno de um ímã.
Observamos com a experiência ilustrada na Fig. 1 que a força magnética do ímã atua de forma a alinhar as partículas de ferro formando linhas que unem as duas extremidades do ímã. Essa e outras
experiências levaram a criação do conceito de linhas de campo o qual se mostra muito útil na descrição de campos magnéticos de qualquer tipo. Em um campo magnético as linhas de campo são tais que o vetor campo magnético apresenta as seguintes características:
Sua direção é sempre tangente a cada linha de campo em qualquer ponto dentro do campo magnético; Seu sentido é o mesmo da respectiva linha de campo; Sua intensidade é proporcional à densidade das linhas de campo.
Uma maneira segunda maneira de detectar a intensidade, a direção e o sentido de um campo magnético é utilizando uma bússola. e.3 Geração de um campo magnético por uma corrente elétrica Christian Oersted, repetiu várias vezes a experiência que faremos logo a seguir, concluindo que toda corrente elétrica gera ao redor de si um campo magnético. Experimentalmente verificou-se que a intensidade do campo magnético criado por um fio longo e reto é diretamente proporcional à corrente que o atravessa (i) e inversamente proporcinal à distância do ponto ao fio (r). A intensidade do campo pode ser calculada por: =
2
Nessa expressão, é uma constante de permeabilidade magnética do meio onde estiver imerso o fio. No vácuo, essa constante vale: = 4 ∙ 10−7 ∙ /
No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de campo magnético é tesla (T), em homenagem a Nicola Tesla (1856-1943), mentor, entre outras coisas, do motor elétrico e da corrente alternada. f) Fotografia do experimento Abaixo na Fig.3 uma fotografia do experimento.
Figura 2 Fotografia da montagem do experimento.
Fotos adicionais de detalhes da montagem. .
Figura 3 Bússola sob fio condutor.
Figura 4 Pilha.
Figura 5 Resistor variável.
Figura 6 Bornes para conexão do multímetro.
g) Lista dos materiais utilizados Para a realização deste experimento são necessários os seguintes materiais: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Uma agulha de costura pequena; Um ímã; Uma rolha; Uma tampa de desodorante transparente; 1 m de fio de cobre esmaltado; Uma bateria de 9V; Um amperímetro; Um potenciômetro com chave de 100k Ω; Uma base de madeira para fixar os componentes do circuito; Suportes para fixação do fio sobre a bússola;
h) Roteiro detalhado do experimento Primeira Parte - Construção de uma bússola h.1 Friccione a agulha de costura no ímã; h.2 Corte um pequeno pedaço da rolha e atravesse a agulha nele, deixando-o no meio da agulha; h.3 Encha a tampa de desodorante com água; h.4 Coloque a agulha dentro da tampa; h.5 Verifique que o íma altera a direção da bússola; h.6 Verifique que a bússola aponta sempre em uma direção preferencial quando o ímã esta longe e que mesmo que você altere sua posição, ela tende a voltar a posição inicial.
Segunda Parte – Campo magnético gerado por um fio condutor h.7 Após a contrução da bússola, certifique-se de que o experimento está montado de acordo com o esquema da Fig. 3. h.8 Deixe o potênciometro na posição desligado. h.9 Certifique-se de que a bússola está alinhada com o fio condutor e com o campo magnético terrestre. h.10 Ligue o amperímetro. h.11 Ligue o potenciômetro. h.12 Meça a intensidade de corrente elétrica I e o ângulo de deflexão . h.13 Varie a intensidade de corrente elétrica I utilizando o potenciômetro. h.14 Anote os valores de corrente I e a respectiva deflexão do ponteiro da bússola na Tabela 1.
i) Tabelas e Gráficos a serem preechidos
Tabela 1 Dados obtidos do experimento (realizado com um solenóide)
60 50
Corrente elétrica (mA) 62.9 104.1 124.0 142.8 157.0
Deflexão ( ⁰) 10 20 35 42 55
)
°
( o ã x e l f e D
40 30 20 10 0 0
2
4
6
Corrente Elétrica (mA)
Gráfico 1 Deflexão em função da corrente elétrica.
j) Análise Experimental Primeira Parte j.1 Porque é necessário friccionar o ímã na agulha para que a bússola funcione? j.2 O que ocorre quando aproximamos o ímã da bússola? j.3 O que ocorre quando mudamos a agulha de direção e em seguida a soltamos? Segunda Parte j.4 Descreva o que ocorre quando o potenciômetro é ligado. j.5 O que ocorre com a intensidade de corrente quando aumentamos a resistência do potenciômetro? E com o ângulo de deflexão do ponteiro da bússola? j.6 Porque a bússola deve estar alinhada com o fio no início da medição? j.7 Como procedemos para que a bússola se alinhe com o fio no início da medição? j.8 Porque a bússola não é defletida totalmente e fica perpendicular ao fio? j.9 No espaço para fazer o gráfico defina as grandezas I (corrente elétr ica) e θ (ângulo de deflexão do ponteiro) nos eixos x e y respectivamente com suas respectivas unidades no SI. j.10 Marque os pontos da Tabela 1 na área do gráfico. j.11 Una os pontos para formar o gráfico.
l) Conclusão
l.1 Observando o gráfico você diria que a deflexão do ponteiro da bússola é diretamente proporcional a intensidade de corrente elétrica? l.2 O gráfico reflete a relação entre as grandezas B (intensidade de campo magnético) e i (intensidade de corrente elétrica) descrita pela expressão abaixo?
=
2
m) Exercícios m.1 Os telefones celulares, controles remotos, rádios e televisores utilizam-se de circuitos chamados circuitos osciladores, estes circuitos geram correntes elétricas alternadas de alta frequência que são capazes de emitir ondas eletromagnéticas que podem ser detectadas por antenas distantes sem qualquer conexão direta por meio de fios. Quais forças da natureza possuem a característica de atuar a distância? a) b) c) d)
Forças de atrito; Força hidráulicas. Forças de Van der Walls. Força elétrica, magnética e força gravitacional.
m.2 Eletroímas são utilizados em muitos dispositivos eletrônicos atualmente, um exemplo desses equipamentos são as fechaduras eletrônicas. A figura abaixo ilustra um eletroíma contruído com um prego e fio de cobre. Desenhe as linhas de campo e a força deste íma sobre uma barra de ferro situada nas suas proximidades.
m.3 A ilustração abaixo mostra as linhas do campo magnético terrestre. Baseado na ilustração e em seus conhecimentos, julgue V ou F nas afirmativas abaixo:
( ) Pode-se dizer que o campo magnético terrestre é equivalente ao de um grande ímã. ( ) O fato da Terra possuir um campo magnético permitiu a criação da bússola, instrumento que permitiu o desenvolvimento das navegações intercontinentais. ( ) A bússola só funciona com pilhas. ( ) O campo magnético terrestre é nulo no equador. ( ) O campo magnético terrestre é mais intenso nos polos.
m.4 Sobre o experimento de Oersted podemos afirmar: ( ) Permitiu relacionar a eletricidade ao magnetismo. ( ) A intensidade de campo magnético gerado por um fio condutor percorrido por uma corrente elétrica é proporcional a intensidade desta corrente elétrica. ( ) A deflexão da bússola é inversamente proporcional a proximidade do fio. ( ) Quando não a corrente circulando no fio a bússola aponta para o sul. m.5 Calcule a intensidade de campo em ponto situado a uma distância de 1 metro de um fio percorrido por uma corrente elétrica de 100mA. Qual a razão entre esse campo e o campo magnético terrestre?
3. Dificuldades encontradas
Inicialmente não houveram dificuldes na concepção do roteiro avaliativo e na montagem geral do experimento. Qualitativamente o experimento funcionou perfeitamente. Os problemas vieram na realização das medidas. Ao girarmos o potenciômetro a corrente aumenta de forma brusca e acarreta em uma deflexão muitas vezes máxima, inviabilizando medidas intermediárias de deflexão. Este problema ocorre porque a corrente é inversamente proporcional a resistência. Este fato dificulta muito a obtenção de valores intermediários de deflexão do ponteiro da bússola para tensões baixas como a utilizada de 1,5 V. A maneira utilizada para contornar este problema foi reduzir o valor do potenciômetro (de 2KΩ para 50 Ω), desta forma são obtidos valores de corrente elétrica maiores. Mesmo assim ainda se mostrou
necessária a elevação da tensão para que se possam obter um maior número pontos. Não optou-se pelo aumento da tensão em função do experimento já encontrar-se montado com uma pilha de 1,5 V. Utilizando um solenóide o qual fornece um campo magnético maior, com uma corrente elétrica menor em relação ao campo do fio condutor, foi possível obter medidas razoáveis que mostram a relação de proporcionalidade direta entre corrente e campo magnético para um solenóide. A utilização do solenóide porém não é recomendada, visto que na maioria dos livros de ensino médio o campo externo do solenóide é tido como nulo (solenóide infinito).
4. Futuras mudanças na montagem experimental
Para que seja possível realizar as medidas com o fio condutor é necessário elevar a tensão da fonte. Uma outra alternativa seria a utilização de um solenóide grande de maneira que se possa situar a bússola em seu interior e desta forma medir o campo magnético interno. Seria interessante também adaptar a montagem deste experimento para experimentos como: motor elétrico rudimentar, alteração do brilho de uma lâmpada por meio do potenciômetro, circuitos série e paralelo.
n) Referências bibliográficas [1] Wilson Carron e Osvaldo Guimarães, Física, 2ª Edição, editora Moderna. [2] Experiência de Oersted em sala de aula – RBEF v. 29, n. 1, p. 41-51, (2007)
[3] A modification of Oersted experiment - Eur. J. Phys. 30 641 (2009) [4] Medição do campo magnético da Terra pelo método da tangente - Anais do 13º Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XIII ENCITA / 2007.
