O ANEL DE THOMSON, TAMBÉM CONHECIDO COMO O "ANEL SALTITANTE"

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1 Patrocínio, MG, outubro de 2016 ENCONTRO DE PESQUISA & EXTENSÃO, 3., 2016, Patrocínio. Anais... Patrocínio: IFTM, O ANEL DE THOMSON, TAMBÉM CONHECIDO COMO O "ANEL SALTITANTE" Pablo Fernando de Castro Alves (IFTM - Campus Patrocínio) 1 ; Regina Staropoli de Azevedo (IFTM - Campus Patrocínio) 2 Modalidade: Pesquisa Resumo: Atualmente, a tecnologia está presente no cotidiano de praticamente todas as pessoas, e cresce cada vez mais com a utilização de dispositivos móveis portáteis. A transmissão de energia já ocorre através da tecnologia de indução eletromagnética. O objetivo desse projeto foi montar um protótipo sobre o assunto, onde um anel metálico condutor é colocado sobre uma bobina com um núcleo de ferro maciço, fazendo com que o anel salte quando um interruptor permite a passagem de corrente. A metodologia é baseada em pesquisas bibliográficas, exploratórias e técnicas. O protótipo possibilita uma melhor visualização sobre a indução eletromagnética, mostrando o princípio de funcionamento de dispositivos que usamos no nosso dia-a-dia. Palavras-chave: Eletromagnetismo; indução magnética; Lei de Lenz. Introdução A energia elétrica está em todos os lugares e por isso há uma grande necessidade de ter sua disponibilidade para ser usada em várias situações. O ramo da ciência que estuda energia elétrica é a parte da física conhecida como eletromagnetismo, visto em Ensino Médio e em cursos técnicos em eletrônica, onde essa matéria é intensamente estudada. Devido a tecnologia atual, cresce cada vez mais o número de pessoas que usam dispositivos móveis portáteis como por exemplo: o celular, a internet wireless, o bluetooth, e outros. Isso se dá graças ao estudo de 1 Estudante do Curso Técnico em Eletrônica Integrado ao Ensino Médio, bolsista PIVIC. fernandopablo44@gmail.com 2 Professora Orientadora, Dra. Física Nuclear. reginastaropoli@iftm.edu.br

2 interações eletromagnéticas e de como elas podem ajudar na melhoria do desenvolvimento tecnológico. Para entender essa tecnologia é necessário conhecer um fenômeno dentro do eletromagnetismo conhecido como a Lei de Indução, descoberta por Michael Faraday ( ), como pode ser visto nas referências (HALLIDAY; RESKICK; WALKER, 1996; NUSSENZVEIG, 1997; RESNICK; HALLIDAY; KRANE, 1996; TIPLER, 1995), e também nas referências de física do Ensino Médio como (FERRARO; TORRES; PENTEADO, 2012; MARTINI et al., 2013; SAMPAIO; CAIO, 2005; XAVIER; BENIGNO, 2010). De acordo com Schneider e Ertel (1998), há muitos anos que existe a pesquisa sobre a transmissão de energia sem fio. Ainda de acordo com Schneider e Ertel (1998), o cientista Nikola Tesla ( ) já usava a indução eletromagnética no final do século XIX para acender lâmpadas de baixa potência. Por volta de um século depois, os pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (Instituto Tecnológico de Massachusetts), M.I.T., foram capazes de transmitir energia usando a indução eletromagnética. Dentre os objetivos específicos pode-se citar o uso de leituras bibliográficas para entender os conceitos de indução eletromagnética e a Lei de Lenz. O uso de meios tecnológicos de comunicação como internet para obter quais os materiais necessários para construir o Anel de Thomson, também faz parte do projeto. O objetivo mais importante dessa pesquisa foi aprender a resolver não só o problema, em questão, usando raciocínio lógico, matemática básica, conceitos e princípios fundamentais de eletromagnetismo, mas também outros problemas do cotidiano que envolvem o tema de indução eletromagnética, como por exemplo: indutores e transformadores. A metodologia foi de cunho bibliográfico para estudar, entender e debater em reuniões semanais o tema proposto. Depois de entendido o conteúdo, montou-se o Anel de Thomson com a ajuda de vídeos. E então, foi possível fazer alguns cálculos, utilizando matemática já compreendida por um aluno do Ensino Médio, para obter resultados de um dispositivo que usa os mesmos conceitos aprendidos, o transformador. 265

3 Para entender como funciona o fenômeno da indução eletromagnética, precisa-se entender o conceito de fluxo magnético, e para isso precisa-se entender o que é um campo magnético. O campo magnético é uma região em torno de um imã, uma carga em movimento ou uma corrente que faz com que esses materiais exerçam alguma força de atração ou repulsão sobre outros materiais. O caso do fio percorrido por uma corrente foi primeiramente observado pelo cientista Hans Christian Oersted ( ), que notou de acordo com Nardi (apud SOUZA FILHO, 2004), em 1819, a deflexão do ponteiro de uma bússola ao ser colocada perto do fio. Conforme Nardi (apud SOUZA FILHO, 2004), André- Marie Ampère ( ), também notou, em 1820, que uma barra de ferro com um fio condutor espiralado ao seu redor se comportava como um ímã. Ainda de acordo com Rival (apud SOUZA FILHO, 2004), Faraday, baseado nesses dois cientistas, demonstrou que correntes eletromagnéticas criam campos magnéticos, e que o vice-versa também ocorre, ou seja, que campos magnéticos também criam corrente. Faraday descobre, assim, a indução magnética e o poder de transformar magnetismo em eletricidade. O fluxo magnético pode ser pensado como sendo o número de linhas de indução que atravessam uma superfície qualquer, assim quanto maior o número de linhas que atravessam a superfície maior será o valor do fluxo magnético e vice-versa. Quando o fluxo magnético varia na superfície de uma espira, surge nela uma corrente elétrica denominada corrente elétrica induzida. Esse fenômeno é chamado de indução eletromagnética. O transformador é um exemplo de aparelho que produz indução eletromagnética. Há algumas maneiras de variar o fluxo do campo magnético sobre uma espira. Uma delas consiste em variar o ângulo entre a normal da espira e o fluxo. Ao girar a espira continuamente, tem-se um gerador elétrico. Outras maneiras consistem em variar a intensidade do campo magnético, ou até mesmo variar a área da espira através do movimento unidimensional de um dos lados da espira, se este estiver, por exemplo, em um trilho. O próximo passo para se entender o que acontece durante uma indução, ou seja, quando um condutor repele ou atrai outro é estudar a Lei de Lenz. 266

4 Quando um imã se aproxima de uma espira em repouso, o fluxo magnético pela espira aumenta e uma corrente é induzida nela. Essa corrente produz um campo magnético induzido com polaridade contrária ao campo magnético indutor (gerado pelo imã), impedindo que o fluxo magnético aumente. Quando um imã se afasta de uma espira estacionária, o fluxo magnético que entra pela espira decresce e uma corrente é induzida na espira. Essa corrente cria um campo magnético induzido com uma polaridade que impeça a diminuição do fluxo magnético. Assim, 267 [...] o sentido da corrente induzida é tal que, por seus efeitos, opõe-se à causa que lhe deu origem, ou ainda, o sentido da corrente induzida é tal que origina um fluxo induzido que se opõe à variação do fluxo magnético indutor. (FERRARO, 2012, p. 629) Alguns exemplos onde ocorrem indução magnética no cotidiano seriam: no disjuntor diferencial (interruptor de falha de aterramento), na guitarra elétrica, na gravação magnética, no transformador, etc. Para a compreensão do assunto na prática, estudou-se o transformador. Um transformador é um dispositivo destinado a transmitir energia ou potência de um circuito a outro, através da alteração de tensões e correntes que entram e saem dele, e é utilizado quando se quer aumentar ou diminuir a tensão elétrica. Existem vários tipos de transformadores, mas basicamente eles consistem, cada um, de um circuito magnético, por exemplo um núcleo de ferro, que "une" duas ou mais bobinas. A bobina "na entrada", ou seja, no lado primário do transformador tem certo número de espiras, e a bobina "na saída", no lado secundário, tem um número diferente de espiras. A razão entre as tensões de entrada e de saída corresponde exatamente a razão entre o número de espiras no primário e no secundário. Assim, se alguém morar em uma região do Brasil onde a tensão nas residências é de 220 V e se mudar para outra cuja tensão é de 110 V, poderá usar um transformador onde a razão entre o número de espiras é 0,5. Por exemplo, tal pessoa poderia construir um transformador com 500 espiras no primário e 250 no secundário.

5 Neste ponto da pesquisa, foi possível construir o Anel de Thomson, cujo nome se deu em homenagem ao físico norte-americano Elihu Thomson que o inventou no século XIX. Tal aparato consiste na "levitação" ou no "salto" de um anel metálico por um eletroímã, mostrando-se ser uma demonstração fascinante, além de ser experimento bastante comum nos cursos de graduação em grandes universidades em todo o mundo. O anel consiste de um condutor (normalmente cobre ou alumínio em formato de anel) colocado sobre uma bobina/solenóide com um núcleo de ferrite, ou ferro doce, como pode ser visto nas referências (FERREIRA; SOARES, 2015; ORR; HOLMES; BARRUETO, 2008). O experimento funciona da mesma maneira que um transformador, a bobina no secundário consiste apenas de uma volta de fio - o anel metálico. Já a bobina no primário é feita por meio de voltas de fio condutor ao redor de um cilindro de ferro doce. Para a construção da porção primária do aparato foi usado um núcleo de ferro com 1,0 cm de diâmetro, e sobre ele foi feito um enrolamento de 600 voltas de fio de cobre. A parte secundária do aparato consistia apenas de um anel de alumínio de 1,0 cm de largura e 2,5 cm de diâmetro. Para segurar o anel, colocou-se um CD. Ao ligar o aparato na tomada, o anel saltou. A explicação para isso é que quando a bobina do primário foi ligada em uma fonte de corrente alternada ( tomada), passou por ela uma corrente que gerou um campo magnético. Este causou um aumento de fluxo sobre o anel metálico. A variação do fluxo no anel metálico gerou nele uma corrente induzida que criou um campo magnético induzido no sentido oposto ao campo magnético gerado no primário. De acordo com Hall (1997) e Schneider e Ertel (1998), essa oposição de campos magnéticos funcionam como polos opostos em um ímã e se repelem fortemente. Pode-se ainda verificar, com o intuito de explorar os conceitos físicos, que um anel "quebrado" não causa nenhum efeito de suspensão, já que não há a possibilidade de passar uma corrente nele. Em compensação, se o anel inteiro for previamente resfriado em nitrogênio líquido, o efeito é amplificado, pois a resistência dele é diminuída. Conclui-se, então, que somente com os conceitos físicos estudados no Ensino Médio é possível analisar algumas das consequências da indução 268

6 eletromagnética no nosso cotidiano. Após diversos trabalhos de pesquisas e reuniões, foi possível compreender o porquê alguns geradores e instrumentos elétricos funcionam mesmo com algumas partes que "parecem estar não conectadas". Os resultados obtidos atenderam os objetivos iniciais do projeto, desde o levantamento de dados até a construção do anel de Thomson. Os experimentos realizados com o anel de Thomson permitirão ao estudante de Ensino Médio a entender melhor o conceito de indução magnética, e também a repulsão entre polos opostos em um imã. O aluno poderá, ainda, indagar outros aspectos de seu cotidiano que envolvem o mesmo conceito. 269 Metodologia A orientação da pesquisa teve ênfase bibliográfica, exploratória e técnica e foi feita de maneira a atender aos objetivos. No decorrer da pesquisa, foram realizados estudos sobre o conteúdo através de livros e internet, além de executadas reuniões nas quais eram discutidos e debatidos os conceitos físicos aplicados no estudo de indução eletromagnética, da Lei de Lenz, do Anel de Thomson e da construção dele. Primeiramente, informações sobre o Anel de Thomson foram obtidas através do youtube, somente então os estudos em indução eletromagnética começaram. Nessa pesquisa, a matemática foi bem simples, embora maiores detalhes não foram almejados, e a matéria foi conteúdo de física do Ensino Médio, o eletromagnetismo, porém com análise mais qualitativa do que quantitativa. Foi visto, também, que o conceito aprendido se aplicava em outras áreas do cotidiano e por isso foi adicionado um estudo sobre transformadores, dispositivo usado no cotidiano de muitas pessoas. Além disso, através de bibliografias e ajudas online foi possível fazer alguns cálculos sobre transformadores. Quanto à parte prática, usamos materiais simples para construir o Anel de Thomson, o demonstrativo da indução magnética (que é o objetivo do projeto).

7 Referências FERRARO, Nicolau G; TORRES, Carlos M.; PENTEADO, Paulo C. Física - Volume Único. 1. ed. São Paulo: Moderna, FERREIRA, Bianca R.; SOARES, David M. Relatório Final de Instrumentação para o Ensino: Anel de Thomson: Princípio da Suspensão num campo magnético alternado. Disponível em: < em1_2002/ anel_de_thomson.pdf>. Acesso em: 17 nov HALL, Jonathan. Forces on the jumping ring. The Physics Teacher, v. 35, n. 02, p , HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jeans. Fundamentos de Física. v. 3, 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, MARTINI, G.; SPINELLI, W.; REIS, H.; SANT ANNA, B. Conexões com a Física 3: Eletricidade e Física do século XXI. 2 ed. São Paulo: Moderna, NUSSENZVEIG, H. Moysés. Curso de Física Básica 3 - Eletromagnetismo. 1. ed. São Paulo: Edgard Blucher, ORR, Rusty; HOLMES, Cindy; BARRUETO, Roberto. Physics Lecture Demonstration: Faraday's Law. Jumping Rings: High current AC coil causes rings to jump. UC-Berkeley Physics Demonstration. California, Disponível em: < Acesso em: 17 nov RESNICK, Robert; HALLIDAY, David; KRANE, Kenneth S. Física. v.3, 3. ed. Rio de Janeiro: LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., SAMPAIO, José L.; CAIO, Sérgio. C. Física. Volume Único. 3. ed. São Paulo: Atual editora, SCHNEIDER, Carl S.; ERTEL, John P. A classroom jumping ring. American Journal of Physics, v. 66, n. 08, p , SOUZA FILHO, Moacir P. Livros didáticos de física para o ensino médio: uma análise de conteúdo das práticas de eletricidade e magnetismo p. Dissertação (Mestrado em Educação para Ciências) - Faculdade de Ciências, Universidade Estadual de São Paulo, 2004, p. 19. Disponível em: < auru_prot.pdf?sequence=1>. Acesso em: 01 out TIPLER, Paul. Física 3: Eletricidade e Eletromagnetismo. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC, XAVIER, Claudio; BENIGNO, Barreto. Coleção Física. Aula por Aula. v.2. São Paulo: FTD, 2010.