balança de ampère-faraday: uma estrátegia para discutir campo
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Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física Mestrado Nacional Profissional Sociedade Brasileira de Física CADERNO DO PROFESSOR DE FÍSICA BALANÇA DE AMPÈRE-FARADAY: UMA ESTRÁTEGIA PARA DISCUTIR CAMPO MAGNÉTICO E FORÇA MAGNÉTICA José Amilton Fernandes Ulisses Azevedo Leitão LAVRAS – MG 2015 José Amilton Fernandes Ulisses Azevedo Leitão Gilberto Lage BALANÇA DE AMPÈRE-FARADAY: UMA ESTRÁTEGIA PARA DISCUTIR CAMPO MAGNÉTICO E FORÇA MAGNÉTICA Unidade Didática desenvolvida como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ensino de Física, no Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física da Universidade Federal de Lavras, fazendo parte da dissertação de mestrado com o mesmo título, disponível em: <Fernandes, J. A., 2015 >. LAVRAS – MG 2015 Ficha Catalográfica Elaborada pela Divisão de Processos Técnicos da Biblioteca da UFLA Fernandes, José Amilton. ((((CO-Autores)))) Balança de Ampère-Faraday: Uma estrátegia para discutir campo magnético e força magnética / José Amilton Fernandes – Lavras : UFLA, 2015. 32 p. : il Produto Educacional (Sequência Didática) – Universidade Federal de Lavras, 2015. Orientador: Ulisses Azevedo Leitão. Bibliografia. 1. Ensino de Física. 2. Campo Magnético e Força Magnética. 3. Eletromagnetismo. 4. Transposição didática 5. Conflito Cognitivo I. Universidade Federal de Lavras. II. Título. (( OBS.: copiar a ficha elaborada pela biblioteca neste quadro...)) AG RAD EC I M ENTOS À Universidade Federal de Lavras (UFLA) e ao Departamento de Ciências Exatas (DEX), pela oportunidade concedida para realização do mestrado. À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela concessão da bolsa de estudos. Aos professores do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física, polo UFLA, pelos ensinamentos transmitidos e harmoniosa convivência. Aos professores Dr. Ulisses Azevedo Leitão e Dr. Gilberto Lage pela orientação, paciência, amizade, dedicação e seus ensinamentos que foram de grande relevância para a realização deste trabalho e meu crescimento profissional. À minha família pelo apoio e compreensão. Aos diretores e equipe pedagógica da Escola Estadual Prefeito Celso Vieira Vilela, Heliodora-MG, pelo apoio e colaboração no desenvolvimento deste projeto. Aos estudantes da turma do terceiro anos de 2014 por terem colaborado e participado ativamente nas atividades que geraram esse material. Sumário 1.Apresentação...................................................................................................................................7 2.Sequência didática para discutir campo magnético e força magnética...........................................8 2.1.Roteiros da sequência didática...............................................................................................9 2.1.1.Roteiro I – Materiais magnéticos..................................................................................10 2.1.1.1 Roteiro I – parte 1 – Ficha de questionamento – Materiais magnéticos..................10 2.1.1.2 Roteiro I – parte 2 – Ficha de resultados – Materiais magnéticos............................11 2.1.2.Roteiro II – Linhas de campo magnético......................................................................12 2.1.2.1 Roteiro II – parte 1 – Ficha de questionamento – Linhas de campo magnético......12 2.1.2.2 Roteiro II – parte 2 – Ficha de resultados – Linhas de campo magnético...............13 2.1.3.Roteiro III – Sentido do campo magnético...................................................................14 2.1.3.1 Roteiro III – parte 1 – Ficha de questionamento – Sentido do campo magnético. . .14 2.1.3.2 Roteiro III – parte 2 – Ficha de resultados – Sentido do campo magnético.............15 2.1.4.Roteiro IV – Direção da força magnética.....................................................................16 2.1.4.1 Roteiro IV – parte 1 – Ficha de questionamento – Direção da força magnética......16 2.1.4.2 Roteiro IV – parte 2 – Ficha de resultados – Direção da força magnética...............17 2.1.5.Roteiro V – Medida da força magnética sobre corrente...............................................19 3.Orientações para o professor.........................................................................................................21 4.Construção da balança de Ampère-Faraday..................................................................................25 4.1.Cálculo da força magnética..................................................................................................26 4.2. Lista de materiais.................................................................................................................27 4.3.Esquemas do projeto da balança de Ampère-Faraday..........................................................28 4.3.1.Plataforma.....................................................................................................................28 4.3.2.Vista superficial da balança de Ampére-Faraday..........................................................29 4.3.3.Vista lateral 1 – detalhes do apoio na balança eletrônica.............................................30 4.3.4.Vista lateral 2 – detalhes do posicionamento dos mancais ..........................................30 4.3.5.Ilustração da montagem da balança de Ampère-Faraday.............................................31 5.Comentários finais........................................................................................................................32 1. Apresentação O presente produto educacional, desenvolvido no âmbito do programa de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física realizado na Universidade Federal de Lavras – UFLA, no período de Agosto de 2013 a Agosto de 2015. É composto de uma sequência didática e um protótipo experimental denominado “Balança de Ampère-Faraday”, visando o ensino-aprendizagem de campo magnético e força magnética. Seu desenvolvimento foi motivado pela necessidade e o desejo de resgatar a motivação e o interesse de meus alunos para o estudo de Física. Buscando facilitar o desenvolvimento dessa atividade, esse produto educacional conta também com um capítulo, contendo um roteiro orientador para o professor e um capítulo com orientação e detalhes para construção da balança de Ampère-Faraday. A sequência didática propõe uma abordagem experimental problematizadora, baseada na metodologia denominada Aula de Demonstração Interativa. Sua principal característica é a apresentação prévia de respostas a um questionamento, em que o grupo de estudante deve, interativamente, discutir e elaborar previsões sobre situações que serão investigadas experimentalmente. A balança de Ampère-Faraday consiste em um protótipo experimental que permite detectar e medir quantitativamente a intensidade da força magnética atuando em um condutor elétrico de comprimento ( ℓ ), quando percorrido por uma corrente elétrica de intensidade ( i ) na presença de um campo magnético gerado por um par de ímãs de Neodímio. Ambos os produtos foram desenvolvidos a partir do pressuposto epistemológico de que a experimentação é uma abordagem metodológica para a Física que pode atingir o objetivo de motivar, despertar e resgatar o interesse dos estudantes para o aprendizado de Física. Em especial, a experimentação tem um grande apelo no ensino de eletromagnetismo, um tema em que a maior parte dos experimentos são de fácil reprodução. É um protótipo experimental simples, de fácil manuseio, cujo funcionamento é de fácil compreensão e interessante o suficiente para prender a atenção do estudante. A técnica de medida é eficiente e sensível, permitindo determinar forças com ordem de grandeza de milésimo de Newton. Os detalhes do desenvolvimento da unidade didática e da balança de Ampère-Faraday, assim como a metodologia do desenvolvimento e os resultados da aplicação, fazem parte da dissertação apresentada como requisito parcial para a titulação e se encontra disponível (Fernandes, J. A., 2015). 6 2. Sequência didática para discutir campo magnético e força magnética Essa é uma sequência didática para o ensino-aprendizagem de campo magnético e força magnética, em uma abordagem experimental problematizadora. Propõe-se uma estratégia de transposição didática que visa o desenvolvimento do questionamento conceitual pelo estudante, para que construam conceitos de eletromagnetismo. Visa a aprendizagem significativa, explora o conflito cognitivo e baseia-se em Aulas de Demonstração Interativas (ADI). Conceitos estes, necessários para entender e operar o protótipo experimental que chamamos de Balança de AmpèreFaraday. A sequência didática é composta de cinco roteiros para os estudantes. Os quatro primeiros roteiros dos alunos são compostos de duas partes. Na primeira parte os estudantes se confrontarão com uma situação problema, onde deverão fazer previsões dos resultados em uma ficha de respostas e na segunda parte do roteiro a situação problema se transforma em um experimento, onde através do conflito cognitivo eles conseguem destruir os conceitos errados e reconstruir os conceitos certos. O quinto roteiro é quantitativo, os estudantes utilizam a Balança de Ampère-Faraday e realizam várias medidas, em seguida constroem o gráfico de força magnética por corrente elétrica, para comprovação da eficácia e linearidade da balança de Ampère-Faraday usada no experimento. Na tabela 1, apresentamos os tópicos, da formulação do questionamento, bem como os conflitos cognitivos esperados, baseia-se na metodologia Aula de Demonstração Interativa (ADI), proposta por (SOKOLOFF, 2012). Os roteiros criados para o desenvolvimento da atividade estão no capítulo 4, Roteiros para a sequência didática. Essa sequência didática foi desenvolvida com uma turma de terceiro ano do ensino médio, da Escola Estadual Prefeito Celso Vieira Vilela na cidade de Heliodora MG, em Outubro de 2014. 7 Tabela 1 – Tópicos, questionamentos e conflitos cognitivos esperados que compõem a sequência didática sobre Campo Magnético e Força magnética. Tema Questionamento Conflito cognitivo esperado Roteiro I – Materiais magnéticos. 1. Qual o efeito do ímã sobre os diferentes materiais? Nem todo material condutor elétrico, metálico, tem propriedades magnéticas. Roteiro II – Linhas de campo magnético. 2. Prever como são as linhas de campo magnético dos ímãs disponibilizados? Nenhum. O aluno deve reconhecer nas linhas de campo magnético aproximadamente as mesmas características já observadas no estudo anterior de eletrostática. Roteiro III – Atração e repulsão entre os pólos de ímãs. 3. Qual o efeito de um ímã sobre outro ímã e sobre a agulha de uma bússola? Revendo o seu desenho das linhas de campo, qual o sentido do campo em cada situação analisada? Nenhum. O aluno deve, inicialmente, fazer uma analogia entre o comportamento das cargas elétrica e polos magnéticos. Roteiro IV – Força magnética sobre correntes. 4. Qual o efeito do campo magnético sobre um fio com uma corrente elétrica nas configurações A – Campo na vertical e B – campo na horizontal? 5. Qual a relação entre a força magnética e a corrente? 6. Qual é a relação entre a força magnética e a direção do campo magnético? 7. Qual a relação entre a força magnética e a direção da corrente elétrica no fio? A força magnética que atua sobre um fio com corrente elétrica não é ao longo da direção do campo magnético. Relação linear como resultado experimental A força é perpendicular ao campo. A força é perpendicular à corrente. Roteiro V – Dimensionamento da intensidade da força magnética sobre corrente, experimento e resultados. 2.1. Roteiros da sequência didática Os roteiros I, II, III e IV da sequência didática, são divididos em duas partes: Parte 1 – questionamento e previsão de resultados e Parte 2 – realização de experimentos. O roteiro V, uso da Balança de Ampère-Faraday, é composto apenas da parte de realização do experimento. 8 2.1.1. Roteiro I – Materiais magnético 2.1.1.1 Roteiro I – parte 1 – Ficha de questionamento – Materiais magnético Ficha de questionamento e previsão de resultado. Escola:_____________________________________________________________ Professor (a):_________________________________________________________ Alunos:______________________________________________________________ Data ____/_____/____Série_____ Objetivo: Reconhecer os tipos de materiais e o efeito de um ímã sobre eles. Considere os materiais listados na tabela 2. Se você aproximar um ímã de cada um desses materiais, qual seria o efeito observado? Anote suas previsões e justificativas na tabela 2. Tabela 2 – Lista de materiais e previsão de efeitos Lista de materiais Efeito previsto Fio de cobre Fio de alumínio Pedaço de ferro Isopor Moeda de níquel Canudinho de plástico Lápis 9 Justificativa 2.1.1.2 Roteiro I – parte 2 – Ficha de resultados – Materiais magnéticos Ficha de resultado do experimento e observação Escola:_____________________________________________________________ Professor (a):_________________________________________________________ Alunos:______________________________________________________________ Data ____/_____/____Série_____ Objetivo: Reconhecer os tipos de materiais e o efeito de um ímã sobre eles. Considere os materiais listados na tabela 3. Se você aproximar um ímã de cada um desses materiais, qual seria o efeito observado? Anote suas previsões e justificativas na tabela 3. Tabela 3 – Lista de materiais e efeitos observados. Lista de materiais Efeito observado Fio de cobre Fio de alumínio Pedaço de ferro Isopor Moeda de níquel Canudinho de plástico Lápis 10 Interpretação 2.1.2. Roteiro II – Linhas de campo magnético 2.1.2.1 Roteiro II – parte 1 – Ficha de questionamento – Linhas de campo magnético Ficha de questionamento e previsão de resultado Escola:_____________________________________________________________ Professor (a):_________________________________________________________ Alunos:______________________________________________________________ Data ____/_____/____Série_____ Objetivo: prever como são as linhas de campo magnético Como observamos na última aula, o ferro e o níquel são materiais que respondem à presença de um ímã de forma mais clara. Imagine o seguinte experimento: você vai colocar um pedaço de acrílico sobre um ímã e espalhar limalha de ferro sobre o acrílico. Descreva os resultados e faça uma representação gráfica do que você espera observar nas seguintes situações. 1 – Situação 1: Quando você coloca um único ímã sob o acrílico, disposto com os polos na horizontal. 2 – Situação 2: Quando você coloca dois ímãs com polos opostos , na horizontal, voltados um para o outro. 3 – Situação 3: Quando você coloca dois ímãs com polos iguais, na horizontal, voltados um para o outro. 11 2.1.2.2 Roteiro II – parte 2 – Ficha de resultados – Linhas de campo magnético Ficha de resultado do experimento e observação Escola:_____________________________________________________________ Professor (a):_________________________________________________________ Alunos:______________________________________________________________ Data ____/_____/____Série_____ Objetivo: Materializar e visualizar as linhas de campo magnético Lista de material: Dois ímãs, suporte de madeira adaptado, limalha de ferro, placa de acrílico, folha de papel. 1 – Realize o seguinte experimento: encaixe os ímãs no suporte e coloque a placa de acrílico sobre ele. Espalhe lentamente a limalha de ferro sobre a placa. Se necessário, bata suavemente na placa. Tire fotos e faça um desenho do que você observa nas seguintes situações. Situação 1: Quando você coloca um único ímã sob o acrílico. Situação 2: Quando você coloca dois ímãs com polos opostos voltados um para o outro. Situação 3: Quando você coloca dois ímãs com polos iguais voltados um para o outro. 2 – Compare o que foi previsto na primeira parte deste roteiro com o que foi observado no experimento. 12 2.1.3. Roteiro III – Sentido do campo magnético 2.1.3.1 Roteiro III – parte 1 – Ficha de questionamento – Sentido do campo magnético Ficha de questionamento e previsão de resultado Escola:_____________________________________________________________ Professor (a):_________________________________________________________ Alunos:______________________________________________________________ Data ____/_____/____Série_____ Objetivo: Identificar o sentido do campo magnético. O sentido das linhas do campo magnético pode ser revelado usando uma bússola. Faça uma previsão do resultado e uma representação gráfica do que você espera observar quando você colocar uma bússola nos pontos (1 – 10) próximos de um ímã? Figura 1 – Sentido das linhas de campo que espera observar 13 2.1.3.2 Roteiro III – parte 2 – Ficha de resultados – Sentido do campo magnético Ficha de resultado do experimento e observação Escola:_____________________________________________________________ Professor (a):_________________________________________________________ Alunos:______________________________________________________________ Data ____/_____/____Série_____ Objetivo: Identificar o sentido do campo magnético Utilizando uma bússola, posicione a agulha magnética nas posições (1 – 10) próximas ao ímã, de forma que lhe permita identificar a direção das linhas do campo magnético. Anote suas observações, desenhando setas que indiquem a direção do campo magnético em cada caso. Figura 2 – Experimento – Sentido das linhas de campo observado. 14 2.1.4. Roteiro IV – Direção da força magnética 2.1.4.1 Roteiro IV – parte 1 – Ficha de questionamento – Direção da força magnética Ficha de questionamento e previsão de resultado Escola:_____________________________________________________________ Professor (a):________________________________________________________ Alunos:_____________________________________________________________ Data ____/_____/____Série_____ Objetivos: 1 – Identificar a relação entre a força magnética e a direção do campo magnético. 2 – Identificar a relação entre a força magnética e a direção da corrente elétrica no fio. Imagine um condutor elétrico percorrido por uma corrente elétrica na presença de campo magnético. Que tipo de interação pode ocorrer? Considerando as três configurações abaixo, explique com desenhos a direção do campo magnético e represente a força magnética por seta, em cada caso. Figura 3 – Configuração – 1 Figura 4 – Configuração – 2 Figura 5 – Configuração – 3 15 2.1.4.2 Roteiro IV – parte 2 – Ficha de resultados – Direção da força magnética Ficha de resultado do experimento e observação Escola:_____________________________________________________________ Professor (a):_________________________________________________________ Alunos:______________________________________________________________ Data ____/_____/____Série_____ Objetivos: 1 – Constatar a relação entre a força magnética e a direção do campo magnético. 2 – Constatar a relação entre a força magnética e a direção da corrente elétrica. Materiais para o experimento: ímã, fio de alumínio ou cobre, pedaços de chapa de zinco, pedaço de madeira, pedaço de fio. Leia como operar a fonte de corrente. Ligue a fonte aos pinos ligados ao balanço em forma de U. Ajuste a corrente, se necessário. Aperte o botão de ligar e desligar para verificar o efeito do campo magnético sobre a corrente. 1 – Verifique o que acontece nas três configurações mostradas anteriormente. Figura 6 – Configuração – 1 Observações Figura 7 – Configuração – 2 Observações Figura 8 - Configuração – 3 Observações 16 2 – Compare o que observou com o que foi previsto na primeira parte. 3 – Qual a relação entre a direção do campo magnético e da força magnética? 17 2.1.5. Roteiro V – Medida da força magnética sobre corrente Ficha de resultado Escola:____________________________________________________ Professor (a):_________________________________________________________ Alunos:______________________________________________________________ Data ____/_____/____Série_____ Experimento: Uso da Balança de Ampère-Faraday Objetivo: Medir a intensidade da força magnética sobre um condutor percorrido por uma corrente elétrica. Realize o experimento, mantendo o campo magnético na direção horizontal. Ligue a fonte de tensão e ajuste a corrente para o menor valor possível. Lentamente, aumente a corrente em passos de aproximadamente 0,25 A, para medir uns doze pontos em valores diferentes até a corrente máxima de 3,2 A. Na planilha abaixo, anote os valores das correntes, os valores da massa encontrados na balança eletrônica e calcule a força para cada medida. Faça esta medida com cuidado, sem balançar a mesa, pois o sistema é muito sensível! Se necessário, recomece a medida do zero. Tabela 4 – Medidas do experimento. Corrente (A) Massa (g) 1 2 3 4 5 6 18 Força (N) 7 8 9 1 1 – Utilizando o valor da aceleração da gravidade dada por g = 9,8 m/s 2 e o fator de multiplicação (x10), calcule os valores de força correspondente e preencha a última coluna da tabela. 2 – Construa o gráfico, força magnética (N) X corrente elétrica (A) em papel milimetrado. 3 – Realize agora algumas medidas do experimento na configuração de campo na direção vertical. 4 – Compare os resultados obtidos no experimento mantendo o campo magnético na horizontal com os da configuração de campo magnético na vertical. 5 – Escreva suas conclusões. 19 3. Orientações para o professor O roteiro orientador para o professor foi desenvolvimento com a intenção de facilitar o desenvolvimento da atividade, passar para o professor o máximo de orientação possível e preveni-lo que imprevistos também podem acontecer. Sugiro ao professor, que durante a aplicação da sequência didática e a operação da balança de Ampère-faraday, que fique atento e alerte os estudantes sobre o risco de acidentes, em especial nos experimentos que necessitam de dois ímãs, principalmente se os ímãs forem de grande porte e alto poder de atração e repulsão. Os acidentes podem ser nas mãos tais como cortes, apertões e com a rapidez com que os ímãs se atraem, quase sempre provoca sustos, fazendo com que os deixem cair e por serem de baixa resistência mecânica esses ímãs de neodímio podem se quebrar. Com a limalha de ferro o cuidado é com os olhos. Na balança de Ampère-Faraday a atenção maior é com as agulhas. A divisão da turma em grupos, fica a critério do professor e depende também dos materiais disponíveis, lembrando que quanto menor o grupo melhor. Os quatro primeiros roteiros são de fundamental importância na construção de conceitos de campo magnético e força magnética e não necessitam de muitos materiais. Os ímãs são os mais difíceis, e podem ser reaproveitado os super ímãs de computadores usados. A Balança exige um pouco mais de habilidade na construção e está melhor explicada mais adiante na secção, construção da balança de Ampère-Faraday. Cada um dos quatro primeiros roteiros da atividade devem ser realizados em duas aulas de 50 minutos juntas, sendo na primeira aula o preenchimento da ficha de questionamento da situação problema, onde os alunos fazem previsões dos resultados, sem estar com os materiais a mão, nesse momento o professor deve provocar discussão entre membros do grupo e até mesmo entre grupos vizinhos, após as fichas serem devidamente respondidas, devem ser recolhidos para comparação ou avaliação. Na segunda aula com os materiais a mão, os alunos realizam o experimento e preenchem novamente uma ficha de resultados do experimento, essa ficha deve ser também recolhida para comparação com a ficha de questionamento. O quinto roteiro é quantitativo. Como a montagem desse experimento desperta interesse nos alunos, também é necessário duas aulas de 50 minutos juntas, a realização das medidas devem ser cuidadosa, o gráfico pode ser feito com ajuda de programa computacional. A seguir as orientações e cuidados em cada roteiro separadamente: 20 Roteiro I – Materiais Magnéticos ●Roteiro I – parte 1 – primeira aula duração 50 minutos. • Dividir os alunos em grupos (menor possível). • Distribuir as fichas de questionamento da situação problema. • Promover debate entre os membros do grupo e grupos vizinhos. • Recolher as fichas de questionamento devidamente respondidas. ●Roteiro I – Parte 2 – segunda aula duração 50 minutos. • Distribuir as fichas de resultado do experimento e observação • Distribuir os materiais da tabela do roteiro e um ímã para realização do experimento. • Recolher a ficha de resultados e promover debate de encerramento. O professor deve tomar cuidado nesse roteiro com as brincadeiras dos estudantes, os fios são metais e podem causar acidentes. Roteiro II – Linhas de campo magnéticos ●Roteiro II – parte 1 – primeira aula duração 50 minutos. • Dividir os alunos em grupos (sugiro que permaneça o mesmo do roteiro I). • Distribuir as fichas de questionamento da situação problema. • Promover debate entre os membros do grupo e grupos vizinhos. • Recolher as fichas de questionamento respondidas. ●Roteiro II – parte 2 – segunda aula duração 50 minutos. • Distribuir as fichas de resultado do experimento e observação • Distribuir dois ímãs e limalha de ferro para realização do experimento (é aconselhável pedaços pequenos de madeira para manter os ímãs separados na execução do experimento). • Recolher a ficha de resultados e promover debate de encerramento. Nesse roteiro o cuidado deve ser com o choque entre ímãs, pode causar acidente se for de grande porte, e com a limalha que é pó de ferro e que em contato com os olhos pode ser perigoso. Roteiro III – Sentido do campo magnético ●Roteiro III – parte 1 – primeira aula duração 50 minutos. 21 • Dividir os alunos em grupos (sugiro que permaneça seja o mesmo do roteiro I). • Distribuir as fichas de questionamento da situação problema. • Promover debate entre os membros do grupo e grupos vizinhos. • Recolher as fichas de questionamento respondidas. ●Roteiro III – parte 2 – Segunda aula duração 50 minutos. • Distribuir as fichas de resultado do experimento e observação. • Distribuir um ímã e uma bússola, para realização do experimento. As bússolas de celulares são melhores, tem melhor precisão de direção. • Recolher a ficha de resultados e promover debate de encerramento. Roteiro IV – Direção da força magnética sobre corrente ●Roteiro IV – parte 1 – primeira aula duração 50 minutos. • Dividir os alunos em grupos. • Distribuir as fichas de questionamento da situação problema. • Promover debate entre os membros do grupo e grupos vizinhos. • Recolher as fichas de questionamento respondidas. ●Roteiro IV – parte 2 – segunda aula duração 50 minutos. • Distribuir as fichas de resultado do experimento e observação. • Distribuir dois ímãs, um suporte U para fixar os ímãs, uma fonte de corrente protegida contra curto-circuito, dois cabos bananas jacaré, uma montagem com um pedaço de fio de alumínio dobrado em forma de U e apoiado em dois mancais de chapa galvanizada, colocado em uma pequena plataforma de madeira 10 cm por 15 cm, e para o bom andamento da realização do experimento explicar o funcionamento da fonte de corrente, explicar como se usa o multímetro e orientar o posicionamento dos ímãs em cada configuração, Conforme figura do roteiro IV. • Recolher as fichas de resultados após o experimento e promover debate de encerramento. Roteiro V – Experimento: Uso da Balança de Ampère-Faraday. Nesse experimento o objetivo é medir a força magnética com a Balança de Ampére-Faraday, com o campo magnético na horizontal, os alunos deverão realizar diversas medidas com valores de corrente elétrica entre 0A a 3,3A e preencher a planilha disponível nos roteiros dos alunos, com 22 ajuda de uma expressão matemática (1), calcula-se as forças correspondentes aos valores obtidos na balança eletrônica. Com esses dados podemos comprovar a eficácia e a linearidade da balança de Ampère-Faraday através do gráfico da força magnética X corrente elétrica. F Magnética=k⋅m (1) Na equação (1), se a massa é medida em gramas (conforme leitura direta da mini-balança) a força magnética é obtida em Newton. O fator de calibração é k =9,8⋅10−4 N / g , o desenvolvimento dessa constante está no capítulo 4 . Ao efetuar medidas com campo magnético na direção vertical, os estudantes deveram observar que nessa configuração não gera torque, portanto não se consegue leitura na balança eletrônica, isso levanta dúvidas e os alunos demoram a descobrir o porque de não conseguir medidas. Antes de realizar as medidas sugiro ao professor explicar com detalhes sobre: • O funcionamento da Balança de Ampère-Faraday; • O funcionamento da fonte de corrente; • A tara da balança eletrônica; • A sensibilidade do aparato no momento de fazer as medidas como: Não balançar a bancada, não respirar muito perto do condutor elétrico; • A parte matemática para cálculo da força magnética, o uso da equação para o calculo da força e a constante de calibração (encontra-se em detalhes em Construção da Balança de AmpèreFaraday – 4.1); • Orientar na construção do gráfico (sugerir a possibilidade de uso de programas computacionais como SciDAVis, Excel, etc.); • Orientar na lubrificação dos contatos com antiferrugem. 23 4. Construção da balança de Ampère-Faraday Todo condutor elétrico quando percorrido por uma corrente elétrica na presença de um campo magnético sente uma força magnética vetorial, essa força possui modulo, direção e sentido, podendo ser observado segundo a regra da mão direita. Esse protótipo vai sentir essa força da ordem de milésimo do [N], que multiplicado por um fator de 10 vezes, criado pela Balança Ampère-Faraday, é transportada para uma minibalança eletrônica, explorando uma propriedade chamada tara, essa propriedade nos permite zerar a balança mesmo com algum peso, quando adiciona mais peso a balança só mede a quantidade adicionada e quando a parte do peso é retirado, a leitura do peso retirado é representado por um valor negativo. A Balança de Ampère-Faraday que desenvolvemos, utiliza fio de alumínio daqueles utilizados em solda pelas oficinas de funilaria de automóvel, com diâmetro de 3,8mm e 1m de comprimento. A espira é dobrada em três lados de 30cm e as extremidades aberta sâo encaixadas em um bastão de madeira, as pontas dobradas para fora, e com adaptador para emenda de fio, fixase nas pontas do fio condutor, agulhas de máquina de costura que são finas e de aço, com o objetivo de diminuir o atrito, apoiadas em pequenos mancais de metal (fitas de chapa galvanizada para calha) sobre uma plataforma de compensado de madeira de 42cm por 47cm e 1cm de espessura, os mancais permitem o contato elétrico e podem deixar girar o eixo quase que livremente. Na outra extremidade da espira o condutor passa dentro de um campo magnético formado por dois ímãs de neodímio colocados em um suporte U, com polos diferentes voltados um para o outro. Uma corrente elétrica (i) através do fio, faz com que apareça na parte da espira que está dentro do campo magnético, força magnética e o torque provocado por essa força é transferido para o bastão de madeira (eixo), que com ajuda de um pequeno apoio em formato de L tamanho 3cm de comprimento e 4,5cm de altura, fixado no meio do bastão do lado da espira para possa ser apoiado na balança, usando a propriedade de tara da balança, qualquer força vertical sentida pela espira na região do campo magnético, cria um torque no eixo. Como a distância do ponto de aplicação da força magnética ao eixo é 10 vezes maior do que o suporte que está em contato com a balança, a força medida na balança será 10 vezes maior que a força aplicada na extremidade do fio em U, a leitura no visor da balança eletrônica é a massa que correspondente ao valor de dez vezes a força magnética na espira. Com o valor da massa e o valor da aceleração da gravidade utilizando os conceitos de braço de alavanca e conceitos de equilíbrio, podemos chegar a uma equação que 24 represente matematicamente esse pensamento e nos permite calcular a força magnética correspondente a corrente que passa pelo condutor na presença de um campo magnético e para facilitar os cálculos parte dessa expressão e transformada em uma constante K que denominamos fator de calibração. 4.1. Cálculo da força magnética A força magnética, F mag , sentida pela parte do condutor que está na presença do campo magnético ⃗ B , causa um torque no eixo de madeira onde esse condutor está fixado. Esse torque do eixo transfere uma força de contato N para a minibalança, através do pino de contato do suporte em formato de L. A intensidade da força de contato será medida pela leitura da balança e depende da distância entre o eixo e ponto de aplicação da Fmag e a distância entre o eixo e ponto de apoio na balança. Em equilíbrio estático, o momento da força F mag aplicada no fio é igual ao momento da força exercida pela minibalança, N . Na configuração proposta, os braços de alavanca correspondentes à força F mag é L1 e à força de contato N é L2 e são, respectivamente: L1 distância entre o eixo e o ponto de aplicação da força magnética L2 distância entre o eixo e o ponto de apoio na minibalança Como o momento de uma força é o produto da força pela distância ao eixo de rotação, na situação de equilíbrio estático temos: F mag× L1=N × L2 A balança expressa a força N como uma leitura de massa m . Assim, para determinar a força N é necessário multiplicar o valor de m , lido diretamente na balança, pela aceleração da gravidade g . Assim, o valor da força magnética F mag é obtido pela seguinte relação: F mag= m× g×L 2 L1 Como a minibalança eletrônica usada tem capacidade de medida até 500g e apresenta os dados em gramas, faz-se necessário transformar o valor da massa que se lê na balança para quilograma. Para isso basta multiplicar o valor lido por 10 -3. Para facilitar os cálculos podemos substituir os valores da expressão acima por uma constante de calibração K. K= g×L 2 ×10−3 L1 25 Assim, determinamos o fator de calibração para a Balança de Ampère-Faraday, o que permite calcular diretamente o valor da força magnética F mag a partir da leitura de massa acusada pela minibalança. Medindo m em gramas, pela leitura direta da minibalança, o valor da força magnética será calculado multiplicando a constante de calibração K pelo valor de m , Fmag =K⋅m 4.2. Lista de materiais 1 - Balança eletrônica (0,1g a 500g); 2 - Fio de alumínio (usado em solda), 1m de comprimento e 3,8mm de diâmetro; 3 - Dois ímãs de neodímeo 40mm x 20mm x 10mm; 4 - Um suporte em U; 5 - Duas emendas sindal para fio de 4mm; 6 - Duas agulhas com pé, para maquinas de costura; 7 - Um bastão de madeira medindo 30cm de comprimento e 11mm de diâmetro; 8 - Uma plataforma de compensado medindo 42cm x 47cm x 1cm; 9 - Dois suporte de madeira medindo 4cm x 4cm x 3cm; 10 - Duas fitas de chapa galvanizada (usada para calha pluvial) medindo 4cm x 1cm; 11 - Fonte protegida de corrente fornecendo corrente de 0 a 3 A e tensão entre 0 a 30V; 12 - Dois cabos banana jacaré; 13 - Um multímetro; 14 - Pregos, cola para madeira, verniz. 26 4.3. Esquemas do projeto da balança de Ampère- Faraday Os esquemas mostrados são de fundamental importância para o professor na montagem da Balança de Ampère-Fraday. Incluí detalhes de medidas, posicionamentos de peças, visão lateral e superficial da montagem. 4.3.1. Plataforma Essa plataforma é a base de toda montagem, esse esquema é mostrado em vista superficial, especifica as medidas e o posicionamento dos suportes de madeira, necessários na sustentação dos mancais. Esse material pode ser de compensado ou MDF, a espessura usada foi de1cm. Figura 9 – Plataforma de compensado 27 4.3.2. Vista superficial da balança de Ampére-Faraday A montagem principal nos dá a noção exata da medida e construção da espira, da posição em relação ao eixo, dos detalhes do encaixe das pontas da espira ao eixo, da posição da balança eletrônica, da posição do suporte com os imãs e também das emendas necessárias na fixação das agulhas para máquina de costura. Figura 10 – Vista superior da montagem principal da balança de Ampère-Faraday 28 4.3.3. Vista lateral 1 – detalhes do apoio na balança eletrônica. Numa visão lateral dessa montagem, podemos ver detalhes da espira, que com comprimento de 30cm entre o eixo e os imãs, do braço de apoio que liga o eixo a balança eletrônica de 3cm de comprimento. Figura 11 – vista lateral da montagem 4.3.4. Vista lateral 2 – detalhes do posicionamento dos mancais . Esse esquema visa mostrar detalhes e posicionamento dos mancais. Esses mancais foram planejados para dar suporte para a montagem e também para conectar a parte elétrica sem comprometer o uso da balança. Mostra também a altura do suporte de fixação dos mancais. Figura 12 – vista lateral da montagem com detalhes do mancal. 29 4.3.5. Ilustração da montagem da balança de Ampère-Faraday Nessa ilustração, a balança de Ampére-Faraday é uma das que foram utilizadas no desenvolvimento das atividades desse programa de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física. Figura 13 – Montagem final da balança de Ampère-Faraday. 30 5. Comentários finais Levando-se em consideração as dificuldades nas escolas públicas, principalmente quando se fala de falta de espaços apropriados e também a falta de materiais de laboratório para realização de experimentos, desencoraja a maioria dos professores para a experimentação. Entretanto a meu ver a experimentação mesmo com todos os improvisos possíveis, ainda é o caminho para o resgate do interesse dos estudantes para a Física. Nessa atividade aqui proposta, mesmo que o professor não tenha materiais suficientes para várias bancadas, vale apena a realização, mesmo que demonstrativa. O professor, com certeza, vai se surpreender! 31
