Magnetismo terrestre - Propostas para o Ensino de Física

Atividade 21
1) PROBLEMATIZAÇÃO
É incrível pensar em como tem sido rápido o desenvolvimento de certas tecnologias.
Cada dia se consegue fazer computadores mais velozes, celulares menores, aparelhos
que podem localizar carros ou pessoas em qualquer lugar do mundo em poucos minutos,
etc. A comodidade e/ou facilidade que essas tecnologias possibilitam aos indivíduos,
muitas vezes, os impedem de pensar como viver sem elas.
Talvez seja difícil acreditar, mas coisas consideradas simples hoje, já foram
consideradas tecnologia de ponta em outras épocas. Imagine pensar que a simples
orientação pelos astros, ou mesmo a utilização de um instrumento tão comum nos dias
de hoje, como uma bússola, já foram considerados como principais instrumentos de
navegação em outras épocas.
Mas como se pode explicar os fenômenos magnéticos considerados um tanto
“mágicos” por algumas pessoas?
2) PERGUNTAS-CHAVE
Ao se utilizar uma bússola, percebe-se que ela sempre aponta para uma mesma
direção. Na sua opinião que fator(es) condiciona(m) esta direção?
De que você acha que é feita uma bússola?
Se for colocada uma bússola perto de um ímã, a agulha da bússola vai sofrer
alguma deflexão?
Se for colocada uma bússola perto de um fio em que passa uma corrente
elétrica contínua, o que você acha que vai acontecer naquele instrumento?
3) CONCEITOS-CHAVE
3.1) Magnetismo
As observações dos fenômenos magnéticos são muito antigas, e surgiram com a
verificação da existência de um tipo de pedra que era capaz de atrair ferro. Além
disso, quando se deixava um pedaço de ferro perto dessa pedra, ele adquiria
propriedade de atrair outros objetos de ferro. Atualmente essas pedras são
chamadas de ímãs naturais, e sabe-se que são constituídas por um tipo de óxido de
ferro.
Essa “descoberta” possibilitou que vários outros fenômenos fossem identificados
como “magnéticos”, pudessem ser compreendidos e, conseqüentemente descritos.
3.2) Ímã
Os ímãs podem ter várias formas e tamanhos, entretanto, algumas propriedades
básicas sempre se mantêm. A principal delas é o fato da existência de pólos: o “pólo
norte magnético” e o “pólo sul magnético”. Um fato um tanto curioso é a
impossibilidade de se ter um pólo magnético isolado, ou seja, ao se quebrar um ímã em
dois pedaços, não será produzida uma metade com o norte magnético e outra com o sul
magnético, apenas teremos o surgimento de dois novos ímãs, e independente de
quantos pedaços forem quebrados, cada pedaço sempre será um novo ímã.
Outra propriedade importante é a atração e repulsão magnéticas. Pode-se fazer
uma analogia com a repulsão e atração entre cargas elétricas, onde cargas de sinais
diferentes se atraem e de mesmo sinal se repelem. É importante se entender que é
apenas uma analogia, pois não se pode cair no engano de que as forças envolvidas
nas duas situações são de mesma natureza.
Nas figuras 1a e 1b estão ilustradas a repulsão entre ímãs (polaridades iguais),
enquanto que na 1c a atração (polaridades diferentes).
N
N
figura 1a
S
S
figura 1b
S
N
figura 1c
3.3) Magnetismo terrestre
Além dos ímãs naturais, existem outros tipos, decorrentes de situações
artificiais ou não, em que há a presença de propriedades magnéticas: eletroímãs,
bússolas e, entre outros, o próprio planeta Terra.
Observe a figura 22 ao lado:
O núcleo da Terra é constituído por
ferro
e
níquel
líquidos,
em
altas
temperaturas e, por estarem no estado
líquido, circulam no interior da Terra por
correntes de convecção, de modo que
existem correntes elétricas circulando. O
movimento dessas correntes provoca o
aparecimento de um campo magnético na
Terra.
Figura 2: campo magnético terrestre
Não se engane achando que esse campo é de natureza elétrica! Posteriormente
isto será mais bem discutido; por ora, ressalta-se que é sabido que correntes
elétricas em movimento são capazes de gerar campos magnéticos.
3.3) Bússola
Talvez não seja fácil acreditar que a Terra possa ser considerada como um
gigantesco ímã, mas isto não é tão difícil de comprovar. Acompanhe o raciocínio!
Se realmente existe um campo magnético terrestre, uma pequena mudança na
posição de um ímã será suficiente para que ele tenda voltar a sua posição inicial; fato
que não se observa com pedaços de ímãs naturais. No entanto, percebe-se que se o
peso do ímã e a força de atrito entre a sua base e a superfície em que se encontra
apoiado forem diminuindo, de tal forma que ele fique quase livre para girar em torno
de um eixo perpendicular, a tendência de retorno à posição inicial será perceptível.
Um objeto desse tipo existe e é conhecido como bússola. Sua constituição nada
mais é do que uma agulha magnetizada capaz de girar livremente em torno de um eixo
perpendicular a ela.
Figura 3: bússola3
A bússola é um instrumento baseado em tecnologia
simples e barata e tem como característica principal
apontar para o Pólo Norte geográfico da Terra. O seu
uso é para orientar uma navegação, ou mesmo pessoas
perdidas na mata, etc.
Uma qualidade importante deste
instrumento é a facilidade em se fazer um.
Observe a Figura 4 ao lado:
Figura 44: montagem simples de uma bússola
Pode-se verificar que não foi necessário nada mais do que uma agulha
magnetizada e um artifício para deixá-la livre; no caso, fixá-la sobre uma rolha de
cortiça para que pudesse boiar na água.
3.4) Eletromagnetismo
Os ímãs naturais e suas propriedades são conhecidos desde a antiguidade, pois
em algumas regiões da Grécia havia grande quantidade do mineral, como na Magnésia.
O primeiro livro sobre o Magnetismo (De Magnete) foi escrito pelo médico inglês
William Gilbert e publicado em 1600. Contudo, só no século XIX seu estudo ganhou
importância, ao ser feita uma relação entre o Magnetismo (estudo dos ímãs) e a
Eletricidade (estudo das cargas elétricas).
Em 1820, Hans Christian Öersted fez uma descoberta. Ao montar um circuito
elétrico, tendo nas proximidades uma bússola, percebeu que ao fechar o circuito
ocorria uma deflexão na agulha. Então, Öersted fez a seguinte montagem: associou ao
circuito um fio metálico, com sua direção paralela à orientação norte-sul da bússola,
colocando-a ao lado. Ao permitir a passagem de corrente elétrica no fio, verificou que
a agulha da bússola tendia a se orientar perpendicularmente a sua posição original; ao
desligar o circuito, a agulha da bússola voltava à posição original.
Outra situação que observou foi a de que a agulha da bússola tendia a se
aproximar da direção paralela ao fio se fosse colocada embaixo do mesmo, conforme a
Figura 55.
Figura 5: montagem relativa à experiência de Öersted.
A constatação de que correntes elétricas podem gerar efeitos magnéticos
contribuiu para a delimitação de um novo campo de estudos e pesquisas – o
Eletromagnetismo – correlacionando a geração de efeitos magnéticos por causas
elétricas e vice-versa.
4) ATIVIDADES EM GRUPO:
Sugere-se a seguinte seqüência de atividades:
1. Na primeira parte da aula, propor que a turma se divida em grupos, a fim de
que, a partir de orientações do professor, cada grupo construa uma bússola.
Ao término da construção, os alunos poderão verificar que as bússolas, ao
serem colocadas sobre uma mesa apontarão para uma única direção;
2. Em seguida, o professor poderá, a partir das opiniões dos alunos sobre a
razão daquele fenômeno, fomentar um debate;
3. Mostrar a experiência de Öersted;
4. Usar as perguntas-chave para estimular os alunos a explicitarem suas
explicações para os fenômenos observados na reprodução da experiência de
Öersted;
5. Fazer uma síntese das respostas dos alunos, correlacionando-as com os
conceitos científicos;
6. Avaliar a aprendizagem.
5) CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DOS KITS:
5.1) Kit Experimental 1 – Construção de uma Bússola
Material Necessário:
- 1 rolha de cortiça;
- 1 agulha de costura ou alfinete;
- 1 vasilha com água;
- 1 ímã.
- adesivo instantâneo universal.
Construção:
1º) Deixe a agulha encostada no ímã por alguns minutos, a fim de que a mesma
adquira propriedades magnéticas;
2º) Cole a agulha sobre a rolha, de modo que seu centro de massa fique em
equilíbrio;
3º) Coloque o conjunto rolha-agulha dentro da vasilha com água.
5.2) Kit Experimental 2 – Experiência de Öersted
Material Necessário:
- 1 régua ou pedaço de madeira cortado como uma régua (≈ 30 cm);
- 2 hastes cilíndricas, metálicas, de aproximadamente 5 cm de comprimento;
- ≈ 30 cm de fio de cobre fino;
- 1 fonte de tensão elétrica, preferencialmente de 6 V;
- 2 grampos de cabelo ou 2 garras jacaré;
- 1 bússola.
Construção:
1º) Faça dois orifícios, compatíveis
com a espessura das hastes, um
em cada extremidade da régua,
e encaixe as hastes, conforme
ilustração abaixo;
hastes
2º) Prenda as extremidades do fio de cobre nas hastes:
fio de cobre
3º) Descasque os fios da fonte de modo a conectá-los nas hastes. Para tanto,
use as garras jacaré ou os grampos de cabelo, porém, deve-se estar
atento para raspar os grampos, caso eles sejam esmaltados.
Cuidado importante: Lembre-se que, quando em funcionamento, este kit
estará em curto-circuito, implicando que as observações se realizem o mais
rápido possível, já que, inevitavelmente, a fonte queimará se ficar ligada por
muito tempo.
6)
SUGESTÕES
PARA
APRENDIZAGEM.
A
AVALIAÇÃO
DA
1) Por que se pode perceber a presença de Campo Magnético na Terra?
2) Suponha que um ímã, tal como o mostrado na
figura ao lado, seja quebrado em três partes.
S
N
Faça um desenho, indicando as orientações magnéticas Norte (N) e Sul (S)
de cada uma das partes.
3) Apresente uma explicação para o fato da agulha de uma bússola sofrer
deflexão, quando a mesma é aproximada de um fio em que há passagem de
corrente elétrica.
1
Proposta elaborada em 2005 pelo licenciando Diogo Prado de Souza, como bolsista de extensão da PROEX / UFF no
Projeto “Divulgação de Propostas para o Ensino de Física”.
2
Disponível em: http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica5/leituras/magnetismoterra.htm. Acesso em: 20 de agosto de
2005.
3
Disponível em: http://nautilus.fis.uc.pt/astro/hu/magn/images/imagem60.jpg. Acesso em: 20 de agosto de 2005.
4
Disponível em: http://nautilus.fis.uc.pt/astro/hu/magn/images/imagem60.jpg. Acesso em: 25 de agosto de 2005.
5
Disponível em: http://paginas.terra.com.br/educacao/fisicavirtual/grandes/oersted.htm. Acesso em: 28 de agosto de
2005.