Observações iniciais: 1- Nos experimentos que seguem, usaremos

Observações iniciais:
1- Nos experimentos que seguem, usaremos alguns materiais que podem
ser encontrados em eletrônicos velhos, como resistores, capacitores e
motores elétricos de corrente contínua.
Por exemplo, resistores e capacitores podemos encontrar em placas de
computador velho.
Motores elétricos podemos encontrar em carrinhos de controle remoto
ou “mixers”.
Ímãs permanentes bastante potentes podem ser encontrados no interior de
HD’s.
Uma outra alternativa é comprar estes materiais em lojas de eletrônica.
3 - Outros materiais importantes que usarão: multímetro, ferro de solda,
solda, suporte para pilhas, suporte para o circuito e chaves liga-desliga.
Um bom material para usarem como suporte para os circuitos é papelão.
Por exemplo:
3- Código de cores de um resistor:
4- Como usar um multímetro: um bom guia é o que se encontra na página
http://physika.info/physika/documents/multimetros.pdf
5 - Como Testar um Diodo
Um diodo pode ser testado com um multímetro comum numa escala intermediária de
resistências (Ω x 100 ou Ω x 1k).
Quando polarizamos o diodo num sentido com as pontas de prova ele conduz e o instrumento
indica uma baixa resistência (entre 100 e 5000 Ω).
Quando invertemos as pontas de prova ele é polarizado no sentido inverso e o instrumento
acusa uma alta resistência (entre 500 000 e 10 000 000 Ω).
Na figura 30 mostramos como isso pode ser feito usando um multímetro analógico comum.
Teste de um diodo com multímetro.
Um diodo com baixa resistência nos dois sentidos se diz em curto e um diodo com alta
resistência nos dois sentidos se diz aberto. Resistência entre 50 000 e 200 000 Ω no sentido
inverso indicam um diodo com fugas.
Obs.: a resistência medida no sentido direto não é a resistência que o diodo vai apresentar
quando em funcionamento. Quando usado num circuito, dada a maior tensão do que a usada
na prova, sua resistência é bem menor.
6 - Alguns materias que possuo: multímetro, ferro de solda, solda, bússola.
Precauções:
1. Nunca tente soldar um fio em pilhas!
2. Nunca toque os dois terminais de um capacitor,
mesmo se o mesmo possuir baixa tensão de
trabalho!
1. Experimento 1: Funcionamento do diodo
Material necessário:
1 suporte de 4 pilhas pequenas
1 diodo 1N4002 ou equivalente
1 lâmpada de lanterna de 6 V
1 barra de 2 terminais com parafusos
Diversos:
Fios e solda.
Soldamos no soquete da lâmpada dois pedaços de fio, para facilitar sua ligação no circuito,
conforme mostra a figura 13.
Fios soldados no soquete da lâmpada.
Se a soldar se "negar" a pegar no soquete, raspe o local com um estilete, para remover a
sujeira e óxido que se forma.
A experiência:
O que fazemos é ligar o diodo em série com uma lâmpada de modo que a corrente tenha de
passar através dele para alimentar a lâmpada.
Assim, conforme mostra a figura 14, observaremos que, quando ligamos o diodo de modo
que ele seja polarizado no sentido direto, a corrente pode passar com facilidade e a lâmpada
acende.
Ligações de diodo em série com a lâmpada.
No entanto, se o diodo for invertido a lâmpada não acenderá, pois ele estará polarizado no
sentido inverso quando a corrente não passa.
Para pesquisar e responder:
* Se tirarmos o diodo e ligarmos a lâmpada diretamente na pilha a lâmpada vai acender um
pouco mais forte. O que significa isso?
* Quando polarizado no sentido inverso, o diodo pode impedir a passagem da corrente sob
qualquer tensão? Por que?
2. Experimento 2: Protetor de Aparelhos
Material necessário:
D1 - Diodo 1N4002 ou equivalente
Os aparelhos eletrônicos comuns que usam materiais semicondutores são muito sensíveis ao
sentido de circulação da corrente.
Se invertermos as pilhas corremos o risco de que junções que não deveriam conduzir a
corrente o façam e com isso o aparelho pode sofrer danos.
Uma forma interessante de proteger um aparelho contra inversões acidentais das pilhas ou
bateria, é usando um diodo, conforme mostrado na figura 15.
Proteção contra inversão da bateria usando um diodo.
Se as pilhas ou baterias forem ligadas corretamente, a corrente passa e o aparelho funciona
normalmente.
Se for invertida, o diodo não deixa a corrente passar e nada acontece com o aparelho sensível.
Para pesquisar e responder:
* O diodo causa uma pequena "perda" na tensão aplicada ao circuito, da ordem de 0,6 V. Você
pode explicar porque?
3. Experimento 3: Redutor de Tensão
Material necessário:
D1 a Dn - diodos 1N4002 - quantidade conforme a redução de tensão desejada
Quando um diodo de silício é polarizado no sentido direto, uma pequena queda de tensão
ocorre na sua junção, da ordem de 0,6 V, conforme mostra a figura abaixo.
Polarização direta de um diodo de Si.
O interessante do diodo é que, diferentemente de um resistor em que a queda de tensão
depende da corrente, nele a queda de tensão é constante, independente da intensidade da
corrente.
Podemos usar esta propriedade para reduzir a tensão num circuito usando diodos.
Com 5 diodos, podemos reduzir a tensão de 6 V de uma bateria para 3 V, conforme mostra a
figura 17.
Redução de 6 V para 3 V com cinco diodos.
Na figura 18 mostramos como fazer um redutor de brilho para uma pequena lâmpada de 6 V.
Redutor do brilho da lâmpada com diodos
Com a chave aberta a corrente passa pelos diodos e a tensão aplicada à lâmpada é menor. Ela
acende com menor brilho.
Com a chave fechada os diodos são colocados em curto e a tensão aplicada à lâmpada é a
total. Ela acende com todo o brilho.
Para pesquisar e responder:
* Por que os diodos aquecem levemente quando em operação?
4. Experimento 4: Controle Inteligente para Lâmpadas e Motores
Material necessário:
S1 - Chave de 2 pólos x 2 posições
s2 - Interruptor de pressão NA (normalmente aberto)
D1, D2 - diodos 1N4002 ou equivalentes
M1, m2 - Motores ou lâmpadas de 6 V
B1 - 4 pilhas pequenas - 6 V
Um problema interessante para um projeto de robótica simples é o seguinte:
Como controlar dois motores ao mesmo tempo, usando apenas dois fios de ligação entre a
caixa de controle e os motores, conforme mostra a figura 19.
Controle de dois motores com apenas 2 fios de ligação.
Usando diodos, temos uma solução simples para este problema.
Esta solução é dada pelo circuito da figura 20.
Circuito elétrico do controle usando dois diodos.
Neste circuito S2 é o interruptor de acionamento de um ou de outro motor.
Quando a chave S1 está na posição A o sentido da corrente é tal que apenas D1 é polarizado
no sentido direto.
Nestas condições, apenas o motor M1 funciona ou se usarmos uma lâmpada, apenas ela
acende.
Quando a chave S1 está na posição B, a corrente flui no sentido oposto e apenas D2 é
polarizado no sentido direto.
Nestas condições, apenas o motor m2 funciona ou se usarmos uma lâmpada ela é que acende.
5. Experimento 5: A Ponte de Graetz
Material:
D1 a D4 - diodos 1N4002 ou equivalentes
M1 - Motor de corrente contínua de 6 V
B1 - 4 pilhas pequenas
Diversos: suporte de pilhas, fios, solda, etc.
Uma configuração de extrema importância para a eletrônica e que faz uso de diodos é a ponte
de Graetz ou ponte retificadores.
Nesta ponte, usamos 4 diodos ligados de tal forma, que independentemente da polaridade
da tensão aplicada na entrada, a corrente que flui na carga (motor ou lâmpada tem sempre o
mesmo sentido).
Na figura 22 mostramos como os diodos são ligados nesta ponte.
Ponte de Graetz ou retificadora.
Use diodos 1N4002 para fazer uma ponte destas que possa ser usada com pequenos motores.
O leitor verá que independentemente do modo como as pilhas são ligadas na entrada, a
corrente circulará sempre no mesmo sentido no motor, ou seja, ele girará sempre no mesmo
sentido.
Uma aplicação "robótica" para esta ponte é mostrada na figura abaixo em que controlamos dois
motores por uma mesma chave.
Controle de 2 motores usando a ponte retificadora.
O motor M1, ligado diretamente ao circuito de controle reversível, inverte o sentido de rotação
quando acionamos a chave S1.
No entanto, o motor M2, qualquer que seja o sentido de circulação da corrente ou a posição da
chave S1 gira sempre no mesmo sentido.
Apesar dos motores terem comportamentos diferentes, o circuito de controle é comum e usa
dois fios apenas.
Trata-se de uma solução interessante para um projeto de mecatrônica que use dois motores
mas que só um deva ter o sentido de rotação invertido por um comando externo.
Para pesquisar e responder:
* O que aconteceria se aplicássemos uma tensão alternada na entrada de uma ponte de
Graetz?
* Onde são usadas as pontes de Graetz?
6. Experimento 6: Circuito de "Reforço" de Potência
Material:
D1, D2 - Diodos 1N4002
B1 - 6 V - 4 pilhas pequenas
B2 - 3 V - duas pilhas pequenas
M1 - Motor de 6 V
S1 - Interruptor de pressão NA (normalmente aberto)
s2 - Interruptor simples
Diversos:
Fios, solda, etc.
Eis uma outra idéia para um experimento ou aplicação prática envolvendo diodos.
No circuito da figura 24 temos uma fonte formada por 4 pilhas que alimenta um motor de 6 V.
Circuito de reforço de potência.
No entanto, em determinamos momentos, precisamos de potência extra para o motor, o que
pode ser feito com um breve aumento da tensão que aplicamos a ele, por exemplo, 3 V a mais
de duas pilhas adicionais.
Não devemos manter o motor permanentemente alimentado com esta tensão extra, pois ele
pode aquecer demais.
A potência extra pode ser necessária, por exemplo, para tirar um pequeno robô do repouso
quando ele precisa vencer o atrito, ou mesmo para vencer um obstáculo inesperado.
Isso é feito com o sistema de diodos e o interruptor de pressão que mostramos.
Quando S1 está aberto, a corrente fornecida ao motor e a suprida por B1 de 6 V.
Nestas condições, ele roda em velocidade normal.
Quando apertamos S1 por um momento, B1 e B2 ficam ligadas em série e a tensão aplicada
ao motor passa a ser de 9 V.
Mas, para quê os diodos?
D1 impede que a corrente "retorne" colocando em curto a bateria B2.
7. Experimento 7: Circuito de Tempo/Inércia
Material:
D1 - 1N4002 ou equivalente - diodo
S1 - Interruptor de pressão NA (normalmente aberto)
C1 - Capacitor de 1 000 µF a 4 7000 µF x 12 V
B1 - 4 pilhas pequenas - 6 V
M1 - Motor de 6 V pequeno
Outra aplicação que envolve o uso de pequenos motores e diodos é a mostrada na figura 25.
Circuito de tempo/inércia.
Neste circuito quando acionamos o motor, parte da energia suprida pela alimentação serve
para carregar o capacitor C1 de valor muito alto.
Quando S1 é solto, a energia armazenada no capacitor só pode ser entregue ao capacitor, pois
o diodo não deixa que ela volta aos outros elementos alimentados pelo mesmo circuito.
Com isso, quando S1 é solto, o motor não pára imediatamente.
Durante o período de descarga do capacitor o motor roda por mais alguns segundos freando de
maneira suave.
O tempo de parada ou inércia será tanto maior quanto maior for o valor do capacitor usado.
Para pequenos motores de corrente contínua capacitores de 1 000 µF a 4 700 µF podem ser
usados.
8. Experimento 8: Sonorizador Para Motores
Material:
D1, D2 - Diodos 1N4002 ou equivalentes
FTE - Alto-falante pequeno de 8 Ω (5 a 10 cm)
M1 - Motor de corrente contínua de 6 V
B1 - 4 pilhas pequenas
Diversos:
Ponte de terminais, suporte de pilhas, etc.
Dois diodos em série, conforme mostra a figura 26, desvia uma pequena parte da energia deste
circuito para alimentar um pequeno alto-falante.
Circuito do sonorizador para o motor.
A corrente que passa pelo alto-falante é formada por pulsos devido ao sistema de escovas do
motor.
Assim, o ruído da comutação aparece no alto-falante, dando uma idéia do funcionamento do
motor.
Podemos usar este circuito como efeito sonoro para aparelhos que façam uso de pequenos
motores de corrente contínua.
Uma matriz de diodos representando uma memória de 4 linhas de 4 bits.
A "programação" é feita manualmente soldando os diodos de modo que eles representem o
dado binário em cada linha.
Para ler os dados gravados simplesmente selecionamos a linha em que eles estão,
alimentando-a com uma tensão, conforme mostra a figura 28.
9. Experimento 9: Motor Elétrico
Objetivo
● Neste experimento vamos construir um sistema simplificado de motor de corrente
contínua.Trata-se de uma aplicação de grande importância de eletricidade e
magnetismo.
Contexto
● O motor elétrico funciona com base na repulsão entre imãs, um natural e outro nãonatural, neste nosso exemplo.
Idéia do Experimento
● O imã não-natural neste experimento é uma bobina.
● O conveniente de se usar imãs não naturais num motor elétrico é a possibilidade de se
manipular (inverter) os polos 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 imã 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
polo sul da bobina pelo polo 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 imã. 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 imã 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.
●
Tabela do Material
Item
Observações
Um pedaço de
fio de cobre
esmaltado
Aproximadamente um metro de fio (nº26). Pode ser encontrado em casa
de materiais elétricos ou eletrônicos ou então retirados de enrolamentos
elétricos velhos.
Tiras de lata
Neste experimento foi utilizado presilhas de lata das pastas de cartolina
que são vendidas em papelarias.
Pilhas
Acrescentar pilhas, ligadas em série, conforme a necessidade da
montagem.
Imã
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
cilindrico, 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 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;
●
●
●
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.
●
●
Posiciona-se um imã 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).
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.
● Outra característica deste motor é que há determinadas combinações de formas
diferentes de se ligar os polos da bateria às tiras e mesmo da posição da espira sobre
as tiras. Mas algumas poucas tentativas devem levar a uma das combinações corretas.
●
Esquema Geral de Montagem:
Projeto Experimentos de Física com Materiais do Dia-a-Dia - UNESP/Bauru
10. Experimento 10: Eletroímã
Objetivo
● Neste experimento vamos mostrar que é possível criar um ímã muito parecido a um imã
natural com o uso da eletricidade.
Contexto
●
●
Quando uma corrente elétrica atravessa um fio condutor, cria em torno dele um campo
magnético. Este efeito foi verificado pela primeira vez por Hans Christian Orsted em
abril de 1820. Ele observou que a agulha de uma bússola defletia de sua posição de
equilíbrio quando havia próximo a ela um fio condutor pelo qual passava uma corrente
elétrica.
Um solenóide constitui-se de um fio condutor enrolado de tal modo que forme uma
seqüência de espiras em forma de tubo. Se por ele passar uma corrente elétrica, gerase um campo magnético no sentido perpendicular à uma seção reta do solenóide. Este
arranjo em forma de tubo faz com que apareçam no solenóide polaridades norte e sul
definidas. O resultado final é que o solenóide possui polos norte e sul, tal como um ímã
natural. Veja a figura.
●
●
●
Os materiais ferromagnéticos são constituídos de um número muito grande de
pequenos ímas naturais, conhecidos como dipolos magnéticos elementares. Este
número é da mesma ordem do número de moléculas ou átomos que constituem o
material. Sem a influência de um campo magnético externo, estes dipolos estão todos
desalinhados, de forma que a soma total de seus campos magnéticos é nula, como
mostra a Figura A.
Se inserirmos um prego, que é feito de um material ferromagnético, dentro de um
solenóide, o campo magnético deste irá alinhar os dipolos do prego, como mostra a
Figura B.
●
●
●
Os campos magnéticos dos dipolos se somam e temos então um novo campo
magnético devido ao prego.
No total , teremos a soma dos campos do solenóide mais o do prego.
●
O conjunto de um solenóide com um núcleo de material ferromagnético é chamado de
eletroímã.
Idéia do Experimento
● Neste experimento enrolamos um pedaço de fio condutor em um prego e o ligamos a
uma pilha fazendo com que passe corrente pelo fio. Nesta configuração geométrica do
fio condutor, a corrente elétrica gera um campo magnético no sentido perpendicular a
uma seção reta do prego fazendo com que apareçam polaridades norte e sul definidos.
Ficando a ponta do prego com uma polaridade e a cabeça do prego com outra, como se
fosse um íma natural.
● Para detectarmos se o campo magnético foi criado, podemos utilizar uma bússola
como aparelho de teste. Portanto, se o campo magnético foi criado, ao se aproximar o
prego da bússola, sua agulha defletirá de sua posição de repouso. Para se verificar a
polaridade deste campo magnético, basta que se façam testes de repulsão e atração.
Pode-se então verificar que cada lado do eletroímã tem uma polaridade distinta, ou
seja, um lado será o norte e o outro lado o sul. Podemos ver que é possível criarmos
um ímã com as mesmas características de um ímã natural, fazendo uso da eletricidade.
● Outro teste que se pode fazer é o da intensidade do campo. Como vimos, a intensidade
do campo magnético aumenta quando um núcleo ferromagnético é colocado dentro do
solenóide, devido ao alinhamento de seus dipolos.
● Para testar a intensidade do campo magnético, primeiro aproximamos o eletroímã
da bússola e de pequenos objetos metálicos, como clipes de papel, moedas, pregos
pequenos etc. Depois retiramos o núcleo ferromagnético (prego) sem desenrolar o fio
que está sobre ele, mantendo-se o formato de solenóide. Aproximamos novamente o
solenóide da bússola e dos objetos metálicos a fim e comparar a intensidade do campo
magnético.
● Será fácil notar que a intensidade do campo magnético do solenóide com o núcleo de
ferro (eletroímã) é mais forte do que o campo magnético do solenóide sem o núcleo.
O eletroíma consegue por vezes levantar objetos que o solenóide não consegue, e
também consegue interferir com a agulha da bússola de uma distância maior do que a
do solenóide.
Tabela do Material
Item
Observações
Um pedaço
de fio
condutor
Aproximadamente 10 cm de fio elétrico comum. Pode ser encontrado
em casa de materiais elétricos ou eletrônicos ou então retirados de
enrolamentos elétricos de aparelhos elétricos ou eletrônicos fora de uso.
Pilha
1 pilha comum de 1.5 Volts será suficiente.
Prego de aço
do tamanho e expessura suficientes para enrolar 10 cm de fio.
Bússola
Verifique o funcionamento da bússola antes de usá-la. Ou construa uma
(veja comentários).
Material de
teste
Moedas, clipes de papel, pegros pequenos ect.
Porta Pilhas
e Fios de
Conexão
(jacaré)
Estes equipamento são opcionais. O funcionamento do experimento não
será prejudicado na falta destes.
Montagem
● Coloque a bússola sobre uma mesa plana e longe da influência de campos magnéticos
que não o terrestre, como por exemplo, alto-falantes.
● Para fazer o solenóide enrola-se o fio condutor no prego ou em qualquer outro objeto
maciço feito de aço, como por exemplo, um arame. Deve-se deixar livre duas pontas
do fio condutor de aproximadamente 2 cm de comprimento com as extremidades
descascadas, para a conexão com a pilha.
● Ligue os polos do eletroímã à pilha.
● Aproxime o eletroímã da lateral da bússola e faça movimentos circulares em torno dela
para observar o movimento da agulha.
● Aproxime de pequenos objetos metálicos com pesos e tamanhos diferentes para
observar a intensidade da força de atração.
● Repita os procedimentos acima depois de retirar o prego e compare a força de atração
com a do eletroímã completo.
Comentários
● O consumo da pilha é alto, pois a corrente elétrica não tem resistência no percurso, ou
seja, o circuito está em curto. Por isso, é aconselhável não deixar o circuito fechado
por muito tempo, desligando-o a cada demonstração. Outra maneira de resolver este
problema é colocar uma resistência no circuito. Uma lâmpada de lanterna seria um
bom resistor, mas serão necessárias duas pilhas, visto que uma lâmpada necessita no
mínimo 1,5 volts.
● Caso você não consiga uma bússola para a realização do experimento, é possível
construir uma. Para isso você vai precisar de um copo comum com água, uma agulha
de costura fina, uma rolha e um imã natural. Siga os passos seguintes:
● 1-Primeiro deve-se imantar a agulha de costura, passando-se o imã natural várias
vezes na agulha de costura, sempre na direção do seu comprimento e no mesmo
sentido. Para saber se agulha já está bem imantada, aproxime-a de algum objeto
metálico e verifique se há atração ou repulsão.
● 2-Corte uma fatia circular bem fina da rolha. Esta fatia de rolha serve para permitir que a
agulha de costura possa flutuar sobre a água.
● 3-Atravesse ou cole no disco circular de rolha já cortado, a agulha.
● 4-Coloque o disco circular de rolha com agulha em um copo cheio de água.
● 5-Verifique por algum método se sua bússola está funcionando, comparando a direção
para onde a agulha está apontando com alguma referência. Sem outros campos
magnéticos por perto, ela deve se orientar na direção Norte-Sul.
● 6-Veja a figura de como fica a construção desta bússola.
●
Esquema Geral de Montagem:
Projeto Experimentos de Física com Materiais do Dia-a-Dia - UNESP/Bauru
WGQ/FCL
11. Experimento 11: Efeito Joule
Objetivo
● O objetivo deste experimento é monstrar uma propriedade física de determinados
materiais: a transformação de energia elétrica em energia térmica, conhecida como
Efeito Joule.
Contexto
● A energia possui a característica de poder existir sob várias formas e ser transformada
de uma forma para outra. Por exemplo, a energia mecânica que se transforma em
energia elétrica numa usina hidrelétrica ou a transformação de energia elétrica em
energia térmica numa resistência de chuveiro.
● A transformação de energia pode ser em alguns casos bem vinda, e em outros não. Por
exemplo: para um automóvel em movimento, a transformação da energia cinética em
atrito, em função da resistência do ar não é bem vinda. Já a transformação de energia
elétrica em calor na resistência de um chuveiro num dia de frio, é muito bem vinda.
● Este último fenômeno denomina-se Efeito Joule: é a transformação de energia elétrica
em calor num material por onde passa uma corrente elétrica.
Idéia do Experimento
● Uma das maneiras que temos para a verificação do Efeito Joule é usando o sentido do
tato. Para isso basta construir um circuito elétrico muito simples, composto de uma fita
de papel alumínio e uma pilha comum de 1,5 volts.
● Ao ligar as duas extremidades da fita de papel alumínio nos polos da pilha, estabelecese uma corrente elétrica. Depois de um certo tempo a fita se aquece devido à
passagem da corrente elétrica. Este aquecimento é pequeno e só é possível verificálo usando o sentido do tato, numa região do corpo sensível a pequenas temperaturas.
Como por exemplo, as costas da mão, o pulso etc.
● Outra maneira de se demonstrar o Efeito Joule, é ligando-se dois fios às extremidades
de uma pilha. Ao se encostar as extremidades livres dos fios em um pedaço de palha
de aço fina (BOM-BRIL por exemplo), a palha de aço é aquecida, pelo efeito Joule, e
incandesce, queimando toda.
● A corrente elétrica em um filamento de palha de aço o aquece. Por ele ser muito fino,
ele então queima. Como a palha de aço é um emaranhado de filamentos, um queima o
outro sucessivamente até que todo o pedaço de palha esteja queimado.
Tabela do Material
Item
Observações
Palha de aço
Quanto mais fina for a expessura dos fios da palha de aço, melhor. Os
usados para lavar louças de cozinha são bons.
Pilha
Uma pilha comum de 1.5 Volts será suficiente.
Papel alumínio
Papel alumínio comum, usado na cozinha.
Fio para
conexões
O fio deve ser fino e condutor de eletricidade. Estes fios podem ser
encontrados em aparelhos eltétrico-eletrônicos velhos. Ou podem ser
comprados em casa de material elétrico ou eletrônicos.
Porta Pilhas
e Fios de
Conexão
(jacaré)
Estes equipamento são opcionais. O funcionamento do experimento não
será prejudicado, na falta destes.
Montagem
Para a verificação do Efeito Joule com o papel alumínio (veja Figura A):
● Recorte uma fita de papel alumínio de aproximadamente 3 mm por 10 cm (
comprimento suficiente para ligar os polos da pilha);
● Ligue as extremidades da fita de alumínio e aguarde uns dois minutos;
● Sinta pelo tato se houve aquecimento da tira de papel alumínio.
Para a verificação do Efeito Joule com palha de aço (veja Figura B):
● Ligue um pedaço de fio numa extremidade de uma pilha;
● Ligue outro pedaço de fio à outra extremidade da pilha;
● Pegue um pedaço pequeno de palha de aço e coloque-o no chão;
● Encoste as extremidades livres do fio na palha de aço, próximos um do outro.
Comentários
● Para fazer com que a palha de aço se queime, é preciso que ao encostar os fios na
palha de aço os fios estejam bem próximos e, caso a palha de aço não se queime com
apenas uma encostada, faça pequenos movimentos com os fios, mantendo sempre um
distância pequena entre eles.
● Na montagem da palha de aço, tome o cuidado de não apoiá-la em algum lugar que
possa pegar fogo como tapetes, carpetes, madeira, compensados, plásticos etc ou
tampouco próximo a inflamáveis como álcool, querosene, gasolina, bebida destilada,
óleo, perfumes, desodorantes etc. Recomenda-se que se faça sobre um piso (ou mesa)
de cimento ou pedra, como o chão de uma cozinha, ou sobre pia de mármore. Verifique
sempre se não há algo que possa queimar por perto.
● Não queime a palha de aço onde haja corrente de vento forte, ou algum ventilador
ligado. O vento pode fazer com que a palha de aço voe, por ser muito leve. Ou ainda
fazer com que faíscas soltem durante uma rajada de vento.
● Nas duas montagens o consumo da pilha é alto, pois a corrente elétrica não tem
resistência no percurso, ou seja, o circuito está em curto. Por isso, é aconselhável não
deixar o circuito fechado por muito tempo desligando-o a cada demonstração. Outra
maneira de resolver este problema é colocar uma resistência no circuito. Uma lâmpada
de lanterna seria um bom resistor, mas então serão necessárias duas pilhas, visto que
uma lâmpada necesita de no mínimo de 1,5 volts.
Esquema Geral de Montagem:
Projeto Experimentos de Física com Materiais do Dia-a-Dia - UNESP/Bauru
WGQ/FCL