UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA. Nelma Aparecida Fernandes Lopes

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA Nelma Aparecida Fernandes Lopes Montagem e Uso de um Laboratório Virtual Para o Ensino de Eletricidade e Magnetismo Alfenas/MG, 2019

2 Nelma Aparecida Fernandes Lopes Montagem e Uso de um Laboratório Virtual Para o Ensino de Eletricidade e Magnetismo Produto apresentado como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre pelo Mestrado Profissional em Ensino de Física / MNPEF, polo da Universidade Federal de Alfenas, MG. Linha de Pesquisa: Processos de Ensino e Aprendizagem e Tecnologias de Informação e Comunicação no Ensino de Física. Orientador: Ihosvany Camps Rodriguez, PhD. Produto: Laboratório Virtual Para o Ensino de Eletricidade e Magnetismo. Alfenas/MG, 2019

3 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Pagina da Simulação PhET Imã e Bússola...8 Figura 2: Menus Arquivo, Opções e Ajuda da Simulação PhET Imã e Bússola...9 Figura 3: Menu Arquivo da Simulação PhET Imã e Bússola...9 Figura 4: Menu Opções da Simulação PhET Imã e Bússola...9 Figura 5: Menu Ajuda da Simulação PhET Imã e Bússola...9 Figura 6: Menu Ajuda (Sobre) da Simulação PhET Imã e Bússola...10 Figura 7: Menu Arquivo da Simulação PhET Imã e Bússola...10 Figura 8: Menu Ajuda - Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday...11 Figura 9: Menus Arquivo, Opções e Ajuda da Simulação Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday...11 Figura 10: Menu Arquivo - Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday...12 Figura 11: Menu Opções - Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday...12 Figura 12: Menu Ajuda - Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday...12 Figura 13: Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday Solenoide...13 Figura 14: Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday Eletroímã...13 Figura 15: Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday Transformador...14 Figura 16: Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday Gerador...15 Figura 17: Simulação Indução Magnética Software Modellus...17 Figura 18: Simulação Gerador AC Software Modellus...18 Figura 19: Simulação Motor CC Software Modellus...18

4 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO PRODUTO EDUCACIONAL TUTORIAL DAS SIMULAÇÕES USADAS NOS ROTEIROS PARA LABORATÓRIO VIRTUAL DE ELETROMAGNETISMO SIMULAÇÃO IMÃ E BÚSSOLA LABORATÓRIO DE ELETROMAGNETISMO DE FARADAY SIMULAÇÕES COM O PROGRAMA MODELLUS INDUÇÃO MAGNÉTICA GERADOR AC MOTOR CC EXPERIÊNCIAS DE ELETRICIDADE E MAGNETISMO...19

5 4 INTRODUÇÃO A física é a área da ciência que investiga o Universo. Os cientistas, em conjunto, buscam compreendê-lo e, para isso, utilizam formulação de hipóteses e atividades experimentais. A física, associada a outras áreas e disciplinas, tem importância fundamental no desenvolvimento tecnológico, que proporciona, principalmente a nós, seres humanos, conforto, praticidade e qualidade de vida. (BONJORNO, 2016) Ensinar física não é uma tarefa fácil quando se tem uma sala de aula com muitos alunos que possuem níveis diferentes de conhecimento em relação a esses fenômenos físicos. O que conta para poder interpretar esses fenômenos e internalizálos é o conhecimento que cada aluno adquiriu através das experiências. O professor deve apresentar o conteúdo de maneira que esse proporcione momentos de debates sobre o tema abordado, indicando qual o grau de conhecimento prévio de cada um. E a partir desses conhecimentos, construir uma base para apresentar novas definições e assim fazer uma construção do conhecimento de maneira uniforme e progressiva. O ensino de Eletricidade e Magnetismo faz parte desse conteúdo que deve ser abordado de forma mais interessante e instigante. Pois, engloba conceitos abstratos e de difícil entendimento. Em particular os alunos não conseguem internalizar conceitos de força e campo ou mesmo de partículas carregadas se movendo em um campo de forças elétrica e magnética. Para vivenciar esses conceitos é indispensável o uso de materiais didáticos que conduzam a aprendizagem de uma forma experimental que apresente resultados mais eficazes que o método tradicional de aulas expositivas. Por exemplo introduzindo uma forma de experimentação em oposição ao método tradicional de aulas expositivas. A utilização de ferramentas computacionais apresenta-se como uma alternativa interessante de experimentação, pois muitas vezes, a escola pública não está equipada com laboratórios tradicionais de Física. Entretanto muitas destas escolas estão equipadas com computadores e acesso à INTERNET. Além do mais, a utilização pelos alunos de smartphones e Tablets é comum.

6 5 2 PRODUTO EDUCACIONAL Este produto educacional faz parte da dissertação de mestrado que tem como objetivo despertar a curiosidade para os conceitos de Eletricidade e Magnetismo e auxiliando na compreensão dos conceitos iniciais do Eletromagnetismo através de aulas práticas feitas através de simulações computacionais numa sequência de experiências que vão desde imãs até aplicações de indução magnética com o estudo do funcionamento do transformador, gerador e motor. O projeto de um laboratório virtual foi baseado na concepção de um material potencialmente significativo para ensinar Eletromagnetismo baseado na teoria de Ausubel de aprendizagem significativa, na qual os conceitos captados e internalizados fazem parte de uma estrutura cognitiva com significado, compreensão, capacidade de explicar, transferir, enfrentar situações novas. Foi baseado também na teoria sócio interacionista de Vygotsky. Os roteiros foram escritos de maneira a proporcionar um aprendizado mais interativo, enfatizando em todas as etapas, a troca de ideias entre aluno/aluno e aluno professor, favorecendo a colaboração de todos no processo de aprendizagem (teoria sócio interacionista de Vygotsky). Como produto educacional, foram elaborados os roteiros de atividades e um tutorial para o professor com orientações dos tópicos a serem trabalhados em cada etapa da experiência e como utilizar as simulações, para que a aprendizagem ocorra de uma maneira ordenada e direcionada aos objetivos. As simulações foram escolhidas para dar ao aluno uma visão geral dos conceitos principais de eletromagnetismo e contribuir para o processo de aprendizagem ao serem utilizadas de maneira estruturada e com objetivos claros. Esses roteiros de atividades são direcionados a professores do Ensino Médio e tem como objetivo facilitar a aprendizagem de conceitos abstratos relacionados a matéria de Eletromagnetismo. O conteúdo foi dividido em três roteiros de atividades que abordam os assuntos: magnetismo (Imã e Bússola), indução magnética (Solenoide e Eletroímã) e aplicações do eletromagnetismo (Transformador e Gerador). As questões e procedimentos dos roteiros foram elaboradas segundo a teoria de Ausubel que parte sempre dos conhecimentos já adquiridos (subsunçores) para ir trabalhando esses conceitos até os alunos apresentaram um aprendizado significativo.

7 6 O tutorial contém orientação para os professores de como utilizar os roteiros e a simulações de maneira a obter os resultados desejados.

8 7 3 TUTORIAL DAS SIMULAÇÕES USADAS NOS ROTEIROS PARA LABORATÓRIO VIRTUAL DE ELETROMAGNETISMO Nesta seção apresentamos um guia de como acessar e utilizar as simulações para realizar as atividades indicadas nas etapas dos roteiros. Estas simulações são disponibilizadas na internet para ser utilizadas como software livre. Para funcionamento das simulações é necessário instalar plug-ins para Adobe Flash Player e plug-ins Java, softwares obtidos gratuitamente nos sites e SIMULAÇÃO IMÃ E BUSSOLA Esta simulação foi desenvolvida pelo projeto de Tecnologia de Ensino de Física (PhET) da Universidade do Colorado e possibilita visualizar o campo magnético de um imã em barra e compará-lo ao campo magnético da Terra. Para fazer o donwload é necessário acessar o sitio escolher a versão em português (Brasil) e carregá-la no computador. Figura 1: Pagina da Simulação PhET Imã e Bússola Fonte:

9 8 A tela principal apresenta os menus Arquivo, Opções e Ajuda mostrados na figura a seguir: Figura 2: Menus Arquivo, Opções e Ajuda da Simulação PhET Imã e Bússola Fonte: Podemos saber sobre atualizações e privacidade através do menu Arquivo e fechar a simulação através do comando sair. Figura 3: Menu Arquivo da Simulação PhET Imã e Búsola Fonte: Através do menu Opções podemos mudar a cor de fundo e no controles de campo podemos ajustar o espaçamento entre as agulhas e o tamanho das agulhas. Figura 4: Menu Opções da Simulação PhET Imã e Búsola Fonte: Através do menu Ajuda podemos procurar atualizações da simulação e, em sobre, aparecerá uma tela mostrada abaixo, que mostra os dados da versão que está em uso. Figura 5: Menu Ajuda da Simulação PhET Imã e Búsola Fonte:

10 9 Figura 6: Menu Ajuda (Sobre) da Simulação PhET Imã e Bússola Fonte: Por último, apresentamos a tela da simulação Imã e Bússola e o painel de comando que aparece ao lado. Figura 7: Menu Arquivo da Simulação PhET Imã e Bússola Fonte: Este painel contém os comandos que permitem alterar a intensidade de campo magnético, ver as linhas de campo, representadas pelas pequenas bússolas (mostrar campo), ver as linhas de campo dentro do imã (Ver dentro do imã), ver a interação entre a bússola e o imã (mostrar bússola, verificar a intensidade do campo magnético no espaço em volta do imã (mostrar medidor de campo), ver o campo magnético em torno do planeta Terra (mostrar planeta Terra) e inverter a polaridade do imã (inverter polaridade).

11 LABORATÓRIO DE ELETROMAGNETISMO DE FARADAY Também desenvolvida pelo projeto de Tecnologia de Ensino de Física (PhET) da Universidade do Colorado, o laboratório de Eletromagnetismo de Faraday contém um conjunto de simulações que cobrem quase toda teoria do magnetismo e eletromagnetismo. Por meio delas é possível visualizar o campo magnético de um ímã em barra, mover o ímã, acender uma lâmpada ligada a um solenoide ou ver a deflexão do ponteiro de um galvanômetro, utilizar eletroímãs, comprovar a indução magnética em um transformador e o princípio de funcionamento de um gerador. Para fazer o donwload é necessário acessar o sitio escolher a versão em português (Brasil) e carregá-la no computador. Figura 8: Menu Ajuda - Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday Fonte: Ao abrir a simulação, aparecerá uma tela que contém os menus Arquivo, Opções e Ajuda iguais aos descritos para a simulação Imã e Bússola, e mostrados nas figuras abaixo. Figura 9: Menus Arquivo, Opções e Ajuda da Simulação Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday Fonte:

12 11 Figura 10: Menu Arquivo - Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday Fonte: Figura 11: Menu Opções - Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday Fonte: Figura 12: Menu Ajuda - Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday Fonte: Dentro da simulação Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday, encontramos várias abas, cada uma delas apresenta uma simulação diferente, todas relacionadas aos fenômenos eletromagnéticos. A primeira é Imã em Barra, ela tem os mesmos comandos da simulação Imã e Bússola, exceto que não tem o comando mostrar planeta Terra. A segunda é Solenoide, nesta simulação temos um solenoide ligado em seus terminais a uma lâmpada ou galvanômetro e um imã. Podemos movimentar tanto o imã como o solenoide para variar o fluxo magnético que passa pela bobina, acendendo a lâmpada ou fazendo o ponteiro do galvanômetro indicar a variação da corrente e sua polaridade (positiva ou negativa). Podemos também variar o número de espiras (1, 2 ou 3) e variar a área da espira, mostrar os elétrons no condutor e observar o sentido de movimento dos elétrons.

13 12 Figura 13: Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday - Solenóide Fonte: A terceira é Eletroímã, nesta simulação temos um Eletroímã ligado em seus terminais a uma pilha (fonte de tensão DC) ou fonte de tensão AC. Temos as opções de variar o número de espiras de 1 a 4, mostrar o campo magnético através das pequenas bússolas (Mostrar campo), observar a bússola indicando a direção e sentido do campo magnético (Mostrar bússola) e movimentá-la também por toda área em vota do eletroímã. Verificar a intensidade do campo magnético no espaço em volta do imã (mostrar medidor de campo) e mostrar os elétrons no condutor (Mostrar elétrons) e observar o sentido de movimento dos elétrons.

14 13 Figura 14: Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday - Eletroímã Fonte: A quarta simulação trabalha o conceito de indução magnética e transferência de energia através de um eletroímã e uma bobina secundária onde aparece uma corrente quando o fluxo magnético que passa interior do solenoide varia. Este é o princípio do transformador. Nesta simulação há dois menus: um para o eletroímã e outro para o solenoide. No menu Eletroímã podemos escolher a fonte de tensão DC ou AC. Para a fonte DC (pilha) temos um comando deslizante que varia a tensão de (10 a -10) e para a fonte AC temos dos comandos, um para alterar o valor da amplitude da tensão e outro para variar a frequência. Temos também como colocar uma bússola na tela da simulação (Mostrar bússola) e colocar um medidor de campo (Mostrar medidor de campo) para verificar a intensidade do campo magnético ao redor do solenoide e eletroímã. E por último, o comando Mostrar elétrons, para verificar o sentido de movimentação dos elétrons nos condutores. No menu solenoide, podemos optar em colocar uma lâmpada ou um galvanômetro nos terminais do solenoide, variar o número de espiras do solenoide, a área das espiras, e mostrar elétrons. Figura 15: Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday - Transformador

15 14 Fonte: A quinta e última simulação do Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday demonstra o princípio do gerador. Nesta simulação aparece os elementos: queda d água, representada por uma torneira que possui um controle do fluxo de água; uma roda d água (turbina) com um imã preso a ela, representando um fluxo magnético variável e um solenoide, representando a saída do gerador. A turbina tem uma rotação variável de 0 a 100 rotações por minuto (RPM), controlada pelo fluxo de água que sai da torneira. Esta simulação contém dois menus: imã em barra e solenoide. No menu imã em barra podemos variar a intensidade de campo magnético (de 0 a 100%), mostrar o campo magnético (Mostrar campo) através das pequenas bússolas que aparecem na região em torno do imã e mostrar medidor de campo magnético (Mostrar medidor de campo). No menu Solenoide podemos escolher entre uma lâmpada e um galvanômetro para conectar ao seu terminal para vermos o efeito da corrente induzida. Figura 16: Simulação PhET - Laboratório de Eletromagnetismo de Faraday - Gerador Fonte: Em todas as simulações temos também um botão para reiniciar tudo. Ao clicar neste botão, o usuário deve confirmar sua intenção de desfazer os ajustes realizados

16 15 anteriormente, respondendo sim quando aparecer a pergunta: reiniciar todos os ajustes?

17 16 4 SIMULAÇÕES COM O PROGRAMA MODELLUS O software Modellus foi utilizado somente como demonstração em sala de aula de fenômenos que exigem cálculos através de fórmulas e construção de gráficos nos assuntos: indução magnética, gerador AC e motor CC. 4.1 INDUÇÃO MAGNÉTICA Para explicar o fenômeno da indução magnética desenvolveu-se um modelo de simulação com o software Modellus que mostra uma espira dentro de um campo magnético uniforme girando e originando uma f.m.e (força eletromotriz) nos terminais da espira. Pode-se visualizar o gráfico da f.m.e. e a animação da espira girando. Figura 17: Simulação Indução Magnética Software Modellus Fonte: O Autor. 4.2 GERADOR AC Para demonstrar o funcionamento do gerador AC, usou-se o mesmo modelo de simulação que explica o aparecimento da corrente induzida para explicar o aparecimento da força eletromotriz induzida no terminal do gerador incrementando

18 17 com um desenho de um gerador simples de uma espira. Pode-se visualizar o gráfico da f.m.e. e a animação da espira girando. Figura 18: Simulação Gerador AC Software Modellus Fonte: O Autor. 4.3 MOTOR CC Podemos também explicar o funcionamento de um motor elétrico através de uma simulação que mostra o efeito do aparecimento de uma força magnética que gira o rotor quando se tem uma corrente elétrica passando pelos terminais de uma bobina imersa em um campo magnético constante. Figura 19: Simulação Motor CC Software Modellus Fonte: O Autor.

19 18 5 EXPERIÊNCIAS DE ELETRICIDADE E MAGNETISMO EXPERIÊNCIA 1 IMÃ E BÚSSOLA OBJETIVOS Compreender a definição de polos magnéticos Norte e Sul de um ímã. Compreender o funcionamento de uma bússola. Visualizar as linhas de força do campo magnético de um imã. Verificar a força de atração e repulsão existente entre os polos do imã e da bússola. QUESTÃO PRÉVIA O que é um imã? Quais as propriedades de um imã? O que acontece se aproximarmos uma bússola de um imã? INTRODUÇÃO Imãs são objetos com propriedades de atrair metais. Podem ser naturais ou artificias. Eles possuem duas regiões onde a propriedade de atração é maior. Essas regiões são denominadas polos magnéticos (polo norte e polo sul). Se dividirmos um imã ao meio obteremos dois novos imãs com dois polos cada um (inseparabilidade dos polos). DESCRIÇÃO Nesta simulação é possível observar o campo magnético ao redor do ímã e dentro dele através das pequenas bússolas que aparece simbolizando o campo magnético. Quanto mais intenso for o campo, mais intensa é a cor das bússolas.

20 19 PROCEDIMENTO: Abrir a simulação: Etapa 1: Coloque a bússola em, no mínimo, oito posições diferentes ao redor do ímã e represente no quadro abaixo o imã e a orientação do ponteiro da bússola. Etapa 2: Clique no ícone Ver dentro do ímã e, em seguida, procure explicar o que foi observado. Represente o que foi observado no quadro acima.

21 20 Etapa 3: Clique no ícone Mostrar campo e, em seguida, observe e demonstre no quadro abaixo a bússola, o ímã e a representação do campo magnético gerado por um ímã (linhas de indução). Etapa 4: Clique no ícone Mostrar medidor de campo e, em seguida, mude a intensidade do ímã em barra e visualize a intensidade do campo magnético através das agulhas magnética: (a) o que representa a distribuição das agulhas magnéticas no espaço ao redor do ímã? (b) as agulhas distribuídas ao redor do ímã não têm todas a mesma intensidade de cor. O que isso significa? (c) faça a medição do campo magnético colocando o medidor em diferentes pontos, nos extremos do ímã, no interior e afastando; represente e registre seus valores no quadro abaixo.

22 21 Etapa 5: Clique no botão "Mostrar Planeta Terra" e Mostrar Campo e: (a) desenhe o campo magnético em volta da Terra. (b) faça uma comparação sobre o magnético campo de um imã e do planeta Terra. (c) clique no "Medidor de campo" e arraste-o pela Terra a diferentes distâncias anotando o valor do campo magnético em pelo menos 6 posições no quadro acima.

23 22 QUESTÕES FINAIS Como a direção do campo magnético se compara à direção da agulha da bússola? Como a inversão da polaridade mudou o campo magnético? O que aconteceu com a bússola? Quais as semelhanças entre o campo magnético na Terra e em um imã em barra? EXPERIÊNCIA 2 SOLENOIDE E ELETROÍMÃ PARTE 1 - SOLENOIDE QUESTÃO PRÉVIA O que é uma espira? Como construir uma espira? O que é um solenoide? Como construir uma bobina ou solenoide? O que acontece quando movimentamos um imã próximo a um solenoide? OBJETIVOS Entender a variação do campo do imã produzindo uma corrente induzida. Perceber que a mudança no sentido do campo magnético do imã muda o sentido da corrente. INTRODUÇÃO O fenômeno da indução magnética consiste no aparecimento de uma corrente induzida ao aproximarmos ou afastarmos um imã de uma bobina. Faraday, através de experimentos, chegou a uma conclusão com exatidão a respeito da corrente induzida: quando o número das linhas de campo que atravessam um circuito varia, nesse circuito aparece uma corrente elétrica denominada corrente induzida.

24 23 A corrente induzida tem sentido oposto ao sentido da variação do campo magnético que a gera, isto é: Se houver diminuição do fluxo magnético, a corrente induzida irá criar um campo magnético com o mesmo sentido do fluxo; Se houver aumento do fluxo magnético, a corrente induzida irá criar um campo magnético com sentido oposto ao sentido do fluxo. DESCRIÇÃO Nesta experiência conseguimos visualizar as cargas se movendo na espira quando o campo magnético que passa por dentro dela varia de intensidade (variação do fluxo magnético). Abrir a simulação: PROCEDIMENTO: abrir a simulação SOLENOIDE. Etapa 1: Ao movimentar o ímã no interior do solenoide, o que acontece com o brilho da lâmpada? O que ocorre quando o ímã é mantido em repouso? E se movimentarmos o solenoide? Explique.

25 24 Etapa 2: Repita o procedimento selecionando o voltímetro como indicador. Verifique a variação de tensão enquanto você movimenta o ímã. Varie a velocidade deste movimento (movimente bem lentamente e depois bem rápido). O que você observa? Procure sistematizar suas observações. Etapa 3: Varie o número de espiras do solenoide (mantendo o indicador Voltímetro selecionado) e verifique se ocorre alguma alteração nos resultados. Você é capaz de obter uma relação entre o número de espiras e o valor medido da tensão? Etapa 4: Com o ímã em barra no interior e na região central do solenoide, varie a área da espira do solenoide movendo entre o máximo e o mínimo (dica: pode usar a seta de navegação do computador); em seguida descreva o que foi observado. Etapa 5: O que acontece com o sentido da corrente quando você move o ímã para trás e para frente? PARTE 2 ELETROÍMÃ

26 25 OBJETIVOS Entender o campo elétrico criado em cada espira do solenoide e como eles se somam para formar o campo igual ao de um imã. Perceber que a mudança no sentido da força eletromotriz na pilha muda o sentido do campo magnético. QUESTÃO PRÉVIA O que é um eletroímã? Para que serve um eletroímã? Quais aplicações do eletroímã? INTRODUÇÃO O solenoide ou bobina longa, como também pode ser chamado, é um fio condutor dobrado em forma de hélice ou pode ser definido como um conjunto de espiras de mesmo eixo espaçadas uniformemente. Aplicando uma corrente elétrica neste fio condutor ele irá gerar um campo magnético ao redor e no interior do solenoide. O campo magnético no seu interior é uniforme e as linhas do campo são paralelas ao seu eixo. O campo do solenoide é bem semelhante ao campo de um ímã em forma de barra, onde a extremidade por onde saem as linhas de campo é o polo norte, e a extremidade por onde entram as linhas de campo é o polo sul. O eletroímã é um dispositivo formado por um núcleo de ferro envolto por um solenoide (bobina). Observe que no eletroímã as linhas de campo entram em uma extremidade e saem na outra, já no imã, elas entram em um polo (polo sul) e saem no outro (polo norte) de maneira praticamente igual. Foi por esse motivo, de apresentar comportamento semelhante ao de um imã quando percorrido por uma corrente elétrica, que esse dispositivo ficou conhecido como eletroímã. DESCRIÇÃO Neste experimento podemos visualizar o campo magnético criado por uma corrente contínua que passa pelos condutores do solenoide.

27 26 PROCEDIMENTO: abrir a simulação ELETROIMÃ. Etapa 1: Iremos avaliar a importância do número de espiras na potência do eletroímã. Reproduza e complete a tabela em seu caderno. Tabela 1: Número de espiras x Campo magnético Tensão Elétrica Número de Espiras Intensidade do Campo Magnético (Gauss) 5 V Qual a diferença entre a intensidade do campo magnético de um solenoide com 1 espira e outro com 4 espiras? Etapa 2: Iremos avaliar a importância da tensão na potência do eletroímã. Reproduza e complete a tabela em seu caderno.

28 27 Tabela 2: Tensão elétrica x Campo magnético Número de Espiras Tensão Elétrica (V) Intensidade do Campo Magnético (Gauss) Que diferença faz a tensão na intensidade do campo magnético do eletroímã? Etapa 3: Agora com os ícones Mostrar campo, Mostrar bússola e Mostrar elétrons selecionados, inverta a polaridade da fonte DC e registre o observado. QUESTÕES FINAIS Comparar e contrastar um ímã de barra com um eletroímã. O que você acha que você teria que fazer para fazer acender a luz de uma lâmpada usando um ímã? Use palavras e Imagens em sua explicação. EXPERIÊNCIA 3 TRANSFORMADOR E GERADOR Abrir a simulação :

29 28 PARTE 1 - TRANSFORMADOR OBJETIVOS Perceber que a variação do campo elétrico do eletroímã causa no solenoide o aparecimento de uma corrente induzida que acende a lâmpada. QUESTÃO PRÉVIA Para que serve um transformador? De quantas partes é construído o transformador? Como obter tensão ou corrente no secundário de um transformador? Quais aparelhos que você conhece que possui um transformador e qual sua importância em cada um deles (qual sua utilidade)? INTRODUÇÃO Transformadores são equipamentos utilizados na transformação de valores de tensão e corrente, além de serem usados na modificação de impedâncias em circuitos elétricos. O princípio de funcionamento de um transformador é baseado nas leis de Faraday e Lenz, as leis do eletromagnetismo e da indução eletromagnética, respectivamente. O transformador é formado basicamente por duas bobinas com diferentes números de espiras, enroladas em um mesmo núcleo de ferro. O enrolamento primário está ligado a um gerador de corrente alternada e o enrolamento secundário está ligado a uma resistência. Quando ligamos uma corrente alternada no enrolamento primário é produzido um campo magnético que é proporcional ao número de voltas do fio em torno do metal e a intensidade da corrente aplicada. O fluxo magnético que é produzido chega ao núcleo do braço metálico e sem encontrar resistência chega ao enrolamento secundário.

30 29 Após chegar ao enrolamento secundário, por indução eletromagnética, cria-se uma corrente elétrica que tem variação de acordo com corrente do enrolamento primário e também com o número de espiras dos dois enrolamentos. DESCRIÇÃO Este experimento consiste em dois solenoides, um ligado a uma pilha, fonte de corrente contínua, e outro isolado do primeiro e ligado a uma lâmpada. Ao variar o fluxo magnético que passa nas expiras do secundário (solenoide que está ligado à lâmpada) surgirá uma tensão induzida nos terminais da lâmpada que produz uma corrente que acende a lâmpada. PROCEDIMENTO: abrir a simulação TRANSFORMADOR. Selecione a fonte de corrente DC (corrente contínua): Etapa 1: Ajuste a fonte de corrente continua (bateria) para 0 V e verifique se a lâmpada acende. Por quê? Etapa 2: Ajuste a fonte de corrente contínua (bateria) para 10 V e o solenoide com 3 espiras, e verifique se a lâmpada acende. E se movimentarmos a fonte ou o solenoide (aproximando ou afastando)? O que ocorre com o sentido da movimentação dos elétrons no interior do condutor do solenoide? Procure sistematizar o que foi observado.

31 30 Etapa 3: Com base no que você aprendeu nos momentos anteriores, pense em maneiras de fazer a lâmpada acender. Teste suas ideias. Selecione a fonte de corrente em AC (corrente alternada) e solenoide com 3 espiras: Etapa 4: O que você observa? Explique. Etapa 5: Selecione o indicador de tensão e verifique se ocorre variação no seu ponteiro. Etapa 6: Aproximando o primário (eletroímã) do secundário (solenoide) do transformador, a tensão no secundário aumenta ou diminui? Justifique. Etapa 7: Altere a amplitude da fonte AC entre o mínimo e o máximo (botão que se movimenta verticalmente na fonte AC), usando como indicador do solenoide a lâmpada, e verifique o que ocorre com a movimentação dos elétrons no condutor do eletroímã e a intensidade luminosa da lâmpada. Em seguida descreva o fenômeno observado. Agora faça o mesmo procedimento anterior, alterando a frequência da fonte AC (botão que se movimenta horizontalmente), mantendo a amplitude no máximo e descreva o fenômeno observado.

32 31 Etapa 8: Agora altere o número de espiras do secundário para uma, duas e três e verifique se ocorre variação de tensão no secundário do transformador. É possível determinar uma relação entre o número de espiras do secundário e a tensão medida? Explique. PARTE 2 GERADOR QUESTÃO PRÉVIA O que é um gerador? Para que serve um gerador? Qual tipo de energia que temos na entrada e na saída de um gerador? OBJETIVOS Perceber que o movimento do imã produz um fluxo de campo magnético variável na bobina que faz aparecer uma corrente elétrica. Entender qual o sentido da corrente induzida que aparece com a variação do fluxo magnético. INTRODUÇÃO O gerador elétrico depende da indução eletromagnética para converter energia mecânica em energia elétrica, a lei básica de indução eletromagnética é baseada na Lei de Faraday.

33 32 A lei da indução de Faraday afirma que a corrente elétrica induzida em um circuito fechado por um campo magnético, é proporcional ao número de linhas do fluxo que atravessa a área envolvida do circuito, na unidade de tempo. E a lei, expressa matematicamente nos dá a força eletromotriz: A lei de Faraday-Lenz enuncia que a força eletromotriz induzida num circuito elétrico é igual a variação do fluxo magnético concatenado ao circuito. É importante notar que um campo magnético constante não dá origem ao fenômeno da indução. Por esta razão, não é possível colocar um magneto no interior de um solenoide e obter energia elétrica. É necessário que o magneto ou o solenoide movam-se, consumindo energia mecânica. Por esse motivo que um transformador só funciona com corrente alternada. A lei é de natureza relativística, portanto o seu efeito é resultado do movimento do circuito em relação ao campo magnético. Podemos demonstrar em um gráfico a forma de onda da tensão senoidal gerada nos terminais da espira girando dentro de um campo magnético constante através de uma simulação feita com o software Modellus, onde equacionamos a f.e.m. de uma bobina de n espiras e apresentamos a animação de uma espira girando.

34 33 DESCRIÇÃO O gerador elétrico funciona convertendo a energia mecânica contida na rotação do seu eixo, que faz com que a intensidade de um campo magnético, produzido por um imã permanente que atravessa um conjunto de enrolamentos, varie no tempo, o que, pela Lei da indução de Faraday, leva a indução de tensões em seus terminais. A energia mecânica (muitas vezes proveniente de uma turbina hidráulica, a gás ou a vapor) é utilizada para fazer girar o rotor, o qual induz uma tensão nos terminais dos enrolamentos que, ao serem conectados a cargas, levam à circulação de correntes elétricas pelos enrolamentos e pela carga. Essa simulação consiste em uma queda d água produzida por uma torneira que faz girar um imã permanente. O campo magnético do ímã permanente também gira com o ímã e faz aparecer um fluxo magnético variável em uma bobina fixa que tem seus terminais ligados a uma lâmpada ou a um galvanômetro. Pode-se observar o aparecimento de uma corrente elétrica induzida variável através do brilho da lâmpada. PROCEDIMENTO: abrir a simulação GERADOR. o compõem. Etapa 1: Explique o funcionamento deste gerador, descrevendo as partes que

35 34 Etapa 2: Aumente o volume d água e verifique a intensidade do brilho da lâmpada. Explique. Etapa 3: Varie o número de espiras e a área das espiras, verificando o efeito sobre o brilho da lâmpada. Isto era esperado? Explique. Etapa 4: Relacione o funcionamento da simulação do gerador com as características da corrente elétrica que obtemos em nossa casa. Faça um relato com suas conclusões. QUESTÕES Por meio de sua experiência aqui, relate quais são as variáveis relacionadas à geração de força eletromotriz (f.e.m.) e como elas influenciam? Descreva a fórmula da f.e.m.

36 35 Desenhe as etapas da geração de energia elétrica em uma usina hidrelétrica. Quais os outros tipos de usinas elétricas você já ouviu falar?