Experimentos de Eletromagnetismo | Física para Todos
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Anel Saltador Duplo
Anel Saltador Simples
Levitação de Discos Magnéticos
Princípio da Pilha
Bolsa Eletroímã
Faca "Mágica"
Experimento de Foucault (Tubo de Lenz)
Trata-se de uma variante do experimento do anel saltador simples. Duas bobinas estão interconectadas por um arco (que serve como guia), podendo-se então impulsionar o anel metálico de uma para outra. A figura ilustra a montagem aqui descrita.
Esta demonstração, conhecida como "anel saltador de Thompson", é uma das mais difundidas demonstrações de todos os tempos. Ao se acionar o circuito que alimenta a bobina, um forte pulso de corrente elétrica cria um campo magnético variável dentro e ao redor da bobina preenchida com um núcleo de ferro que se prolonga para fora dela. Esse campo magnético variável e crescente induz uma força eletromotriz no anel ou tubo de alumínio e, em conseqüência disso, passa a circular nele uma corrente elétrica cujo sentido é tal que o campo magnético por ela gerado age em oposição ao campo magnético indutor da bobina. Essa repulsão causa a projeção do anel para o alto, como mostra a figura. Se o anel estivesse seccionado, não haveria indução de corrente e o efeito não seria observado.
Se o anel fosse resfriado em nitrogênio líquido, a redução da sua resistência elétrica favoreceria o surgimento de forças de repulsão ainda mais intensas, fazendo com que ele saltasse até o teto da sala, conforme mostra a próxima figura.
O pulso inicial, que faz o anel saltar para o alto, é maior do que a força repulsiva subseqüente, quando o anel levita ao redor do núcleo de ferro. Se o circuito formado pelo anel fosse puramente resistivo, ele sofreria a ação de uma força alternadamente positiva e negativa, de modo que a força média seria nula e o anel não levitaria. Mas, como o anel tem indutância, há uma defasagem (menor que 90º) entre a corrente induzida e a força eletromotriz, e assim origina-se uma força de repulsão responsável pela levitação do anel.
Este gerador é uma máquina eletrostática de indução contínua. Nele, uma carga positiva é transportada continuamente por uma cinta de borracha para dentro de uma cúpula metálica oca. Ali a carga é coletada e armazenada, na superfície externa, até que o potencial elétrico (voltagem) se torna tão elevado que uma descarga elétrica, entre algum objeto próximo e a cúpula, acaba conduzindo a carga elétrica para longe dessa cúpula. Tão logo isso acontece, o processo de carga se reinicia. A figura mostra estudantes operando o gerador.
O funcionamento desse gerador é aparentemente simples. Contudo, a descrição da distribuição de carga elétrica nas polias e nos diversos segmentos da correia, bem como o efeito de "poder das pontas", exercido pelos pentes coletores, requer uma explicação bastante longa, com figuras bem construídas, que o leitor poderá encontrar nos bons livros didáticos de Física.
Um dínamo de bicicleta, acionado manualmente, é empregado para transformar energia mecânica em elétrica. A força eletromotriz gerada é suficiente para acender uma pequena lâmpada elétrica. Percebe-se o trabalho mecânico necessário para acender a lâmpada ao desatarraxá-la do seu soquete, pois, nesse caso, o esforço para fazer o dínamo girar é bem menor.
O elemento básico do dínamo é um conjunto de espiras condutoras que giram no interior de um campo magnético. De acordo com a Lei de Faraday, a variação do fluxo magnético que atravessa as espiras, pelo fato de girarem no campo magnético, induz uma força eletromotriz nos terminais dessas espiras. Se conectarmos uma pequena lâmpada a esses terminais, uma corrente elétrica passará por ela, causando o aquecimento do filamento da lâmpada a ponto de fazê-la brilhar.
Na figura apresentamos um modelo simplificado de dínamo. Ele é constituído de um ímã conectado a um eixo de rotação. Acionado manualmente, o ímã gira dentro de um núcleo de ferro em forma de U, revestido por uma bobina. Aos terminais da bobina está conectada uma pequena lâmpada.
O mesmo princípio da indução eletromagnética aplica-se aos dínamos de bicicleta mais modernos, nos quais as espiras condutoras estão fixas e integradas à "armadura" do dínamo, e o núcleo móvel é um ímã que, ao girar, induz uma força eletromotriz nas espiras.
Ao redor de todo ímã existe um campo magnético que pode ser visualizado espalhando-se limalha de ferro sobre uma folha de papel deitada sobre ele. Uma forma mais elaborada de possibilitar essa visualização consiste em instalar um grande número de pequenas bússolas dentro de uma caixa de acrílico transparente.
Essas bússolas se alinham com o campo magnético de forma análoga à limalha de ferro e, por estarem confinadas na caixa, não apresentam o inconveniente de se grudarem ao ímã, como aconteceria se o aproximássemos diretamente das partículas de limalha, ou das próprias bússolas, se elas estivessem livres, fora da caixa.
Por estarem as bússolas agrupadas, e assim exercerem influência umas sobre as outras, quando o ímã é retirado de perto delas, não se alinham inteiramente de acordo com o campo magnético terrestre, mas parcialmente por setores.
Quando atritamos um bastão de PVC com um tecido bem seco de lã sintética, ele se eletriza negativamente. Com esse bastão podemos eletrizar o eletroscópio, conforme ilustra a figura.
Eletrização por contato: Ao encostarmos o bastão eletrizado de PVC diretamente no eletroscópio uma parte do excesso de carga negativa do bastão se transfere para o disco do eletroscópio e para suas folhas móveis.
Nos condutores metálicos as cargas elétricas têm grande mobilidade e se distribuem sobre sua superfície. Como as cargas de mesmo sinal se repelem, uma força repulsiva entre as folhas metálicas do eletroscópio faz com que a folha móvel se afaste da folha fixa, indicando que o eletroscópio não está mais eletricamente neutro. Ele agora tem um excesso de carga negativa que lhe foi transferida do bastão.
Eletrização por indução: Para carregar o eletroscópio por indução, aproximamos o bastão carregado do eletroscópio sem encostar diretamente nele. Então, mantendo o bastão nessa posição, fazemos um aterramento, tocando com o dedo no disco do eletroscópio conforme sugere a próxima figura. Com esse procedimento conduzimos carga negativa para o nosso corpo e deixamos um excesso de carga positiva no eletroscópio. Logo a seguir afastamos, pela ordem, o dedo e o bastão.
O eletroscópio eletrizado por indução ficou com um excesso de carga positiva, pois parte da sua carga negativa foi transferida para o nosso corpo.
Dois discos de ferrite que estão perfurados em seu centro, e cuja polaridade norte-sul está dirigida de uma face para a outra, são enfiados sobre um pino fixo vertical com seus pólos em oposição. Devido à ação repulsiva entre eles, o disco superior levita, posicionando-se numa altura tal que a força de repulsão magnética (Fm) equilibra o seu peso (Mg), conforme ilustra a figura.
Ímãs semelhantes aos acima descritos, em forma de coroa, são empregados na construção de alto-falantes.
Quando duas placas metálicas, uma de zinco e a outra de cobre, são mergulhadas em uma solução eletrolítica, estabelece-se uma migração de íons positivos Zn++ da placa de zinco em direção à placa de cobre. Portanto, surge uma corrente elétrica entre as placas. Gradativamente, a placa de cobre perde elétrons para neutralizar os íons Zn++ que chegam até ela, tornando-se positiva. Por sua vez, a placa de zinco, ao perder íons positivos, torna-se negativa.
A migração de íons se interrompe a partir do momento em que determinada diferença de potencial elétrico passa a existir entre as placas. Por exemplo, em uma pilha comum a diferença de potencial entre os "pólos" positivo e negativo é de 1,5 V. Ao fazermos uso da pilha em um circuito elétrico, é essa diferença de potencial que origina a corrente elétrica que circula pelo circuito.
Resumindo, se duas placas de metais diferentes são mergulhadas em uma solução eletrolítica, estabelece-se uma diferença de potencial elétrico entre elas. Se um condutor externo unir essas placas, formando um circuito, haverá corrente elétrica no mesmo.
O suor do nosso corpo é uma solução eletrolítica que pode remover íons dos metais. Quando encostamos as mãos, uma sobre a placa de zinco e a outra sobre a placa de cobre, fechamos através de nosso corpo um circuito eletrolítico que origina uma diferença de potencial entre essas placas. Um microamperímetro, conectado às placas, forma um circuito externo a elas e, ao mesmo tempo, indica a existência de uma corrente elétrica nesse circuito, conforme ilustram as figuras.
No interior da bolsa existe um ímã permanente e debaixo da plataforma, onde a bolsa está depositada, há um eletroímã. Quando o eletroímã está ligado, ou seja, quando está sendo percorrido por uma corrente elétrica, ele exerce uma força de atração magnética sobre o ímã contido na bolsa. Então, para tirar a bolsa do lugar, é preciso vencer essa força de atração, conforme ilustra a figura.
Para que o balanço magnético seja empurrado pelo ímã, deve estar passando corrente elétrica pelo fio de cobre do balanço, pois a corrente elétrica origina um campo magnético ao redor do fio. Esse campo se comporta como o campo de qualquer outro ímã, mas oferece a vantagem de poder ser desligado mediante a interrupção da corrente elétrica. O campo magnético de um ímã permanente não pode ser desligado.
A figura representa um balanço magnético montado com um ímã permanente em forma de U. Esse ímã apresenta um campo magnético B intenso entre suas extremidades. Ali passa um fio de cobre que, ao ser percorrido por uma corrente elétrica, sofre uma força F que o empurra para dentro ou para fora do ímã, dependendo do sentido da corrente.
A próxima figura mostra, através de duas situações, a relação que existe entre a força F, o campo magnético B e o sentido da corrente elétrica.
A última figura mostra, também, como visualizar o surgimento da força sobre o fio, observando o arranjo espacial das linhas de indução que resultam da superposição dos dois campos magnéticos. O sinal em cruz sobre o fio indica que a corrente e o fio apontam para dentro desta folha.
O bulbo do abajur, ilustrado na figura, contém um gás rarefeito. Em condições normais, o gás não conduz eletricidade. Porém, quando voltagens moderadamente altas são aplicadas ao gás e este é rarefeito, ele se torna condutor. Concluímos então que neste caso o gás contém portadores de carga elétrica. Esses portadores são partículas eletricamente carregadas, ou íons do gás. Existem dois tipos de íons: os positivos e os negativos. Além dos íons, elétrons também contribuem para a condução da eletricidade.
Quando se separam elétrons dos átomos, estes se ionizam, formando-se um plasma. Ao contrário de um gás eletricamente neutro, um plasma conduz eletricidade. Num gás rarefeito, submetido a um campo elétrico intenso, os íons e os elétrons atingem velocidades muito altas, podendo ionizar outros elétrons ou deixá-los em "estado excitado". Quando um átomo decai desse estado excitado para seu estado normal, emite luz. Dependendo do gás, essa luz pode apresentar diferentes cores.
No bulbo do abajur, uma voltagem alternada de uns 15.000 V produz uma descarga elétrica alternada entre o eletrodo central e o vidro do bulbo. Em seu caminho no interior do bulbo, essa descarga torna-se visível graças à luz que átomos excitados do gás emitem ao voltarem a seu estado normal.
Essas descargas coloridas são mais bem visualizadas quando a pessoa encosta seus dedos no bulbo do abajur, conforme ilustra a figura.
Um imã apresenta em torno de si um campo magnético cujo efeito sobre materiais ferromagnéticos, colocados em sua proximidade, é fácil de ser percebido. Na presente demonstração uma leve esfera revestida de "bombril" e suspensa por um fio de linha, sofre indução magnética, sendo atraída fortemente por um imã, conforme mostra a figura.
O mesmo efeito de atração se daria sobre qualquer outro objeto de ferro que fosse aproximado do imã. Se esse objeto for interposto entre a esfera de "bombril" e o imã, ele faz uma blindagem magnética. Por isso quando passamos a faca de ferro entre a esfera e o imã, conforme está sugerido na próxima figura, as linhas de campo "se fecham", concentrando-se na faca, e não a atravessam. Em conseqüência, a atração magnética sobre a esfera de "bombril" é praticamente anulada, de modo que ela cai pela ação da gravidade.
O efeito de blindagem magnética exercido pela faca deixa de existir tão logo ela é afastada das proximidades do imã. Então podemos repor a esfera em sua posição original.
Note que facas feitas de materiais não ferromagnéticos, como o alumínio e o cobre, não sofrem a forte indução magnética que percebemos na faca de ferro e, portanto, não derrubam a esfera da posição em que se encontra.
A demonstração da Lei de Lenz mediante a queda de um potente ímã dentro de um tubo metálico não ferromagnético (alumínio), tornou-se uma demonstração muito difundida nas salas de aula, devido ao intrigante contraste entre o tempo de queda do ímã e o tempo de queda de um outro objeto qualquer dentro do mesmo tubo. A figura ilustra uma possível montagem e a execução deste experimento.
Na demonstração que costumamos fazer, o "outro objeto" é um cilindro de latão – ou de PVC – de mesmo tamanho que o ímã. O experimento parece mágico. Aparentemente a gravidade é parcialmente suprimida quando o ímã cai dentro do tubo.
O efeito não resulta de uma simples imantação, pois podemos facilmente constatar que o ímã não se prende às paredes do tubo. A explicação envolve as conhecidas Leis de Faraday, de Lenz e de Ampère. A movimentação do ímã no interior do tubo produz um campo magnético variável no local por onde passa. Ali esse campo induz tensões elétricas e, em conseqüência, gera correntes elétricas nas paredes do tubo. O sentido dessas correntes elétricas é tal que seu campo magnético se opõe ao avanço do ímã, travando-o fortemente, a tal ponto que logo após o início da queda já pode atingir uma velocidade terminal constante.
A energia elétrica induzida resulta da perda de energia mecânica do ímã. Num tubo de alumínio de apenas 25 cm de comprimento, um ímã muito potente pode levar mais de 3 segundos para cair (o nosso tubo mede 30 cm e o tempo de queda é de aproximadamente 1,75 s, usando um ímã de neodímio). Num tubo idêntico de plástico o ímã levaria apenas 0,25 segundos para cair, ou seja, um tempo sete vezes menor.
Este aparelho consiste de um transformador que apresenta um primário formado por algumas poucas espiras. Esse primário faz parte de um circuito oscilante de freqüências muito altas (na faixa dos MHz). As tensões oscilantes do primário induzem no secundário (de aproximadamente 1000 espiras) tensões muito altas, de centenas de kV, que também apresentam freqüências muito altas. Essas elevadas tensões de alta freqüência ionizam o ar e produzem uma luminescência (efeito corona) no terminal de saída do secundário. Podemos concentrar essas descargas elétricas aproximando do terminal do secundário um metal, uma lâmpada fluorescente ou até mesmo a mão de uma pessoa, conforme ilustra a figura.
Tal transformador não deve conter núcleo de ferro, pois os imãs elementares do ferro não poderiam inverter-se na rapidez exigida pela alta freqüência do primário. As correntes elétricas das descargas não oferecem maior risco ao ser humano. Isso se deve ao fato de que a ação de correntes de alta freqüência fica restrita à pele do corpo, não havendo circulação interna de corrente elétrica. Além disso, devido à alta freqüência de oscilação do campo elétrico, não ocorre decomposição eletrolítica nas moléculas do corpo humano.
As descargas elétricas ionizam o ar circundante à bobina de Tesla e produzem ozônio. É aconselhado renovar o ar ao redor do aparelho em caso de uso intensivo.
Um transformador elevador de tensão, cuja voltagem de saída é de 17 kV, tem o secundário conectado a duas hastes verticais com formato de chifres. Na base, essas hastes estão bastante próximas uma da outra. O vão que as separa é suficientemente pequeno para que, devido à alta tensão existente, uma faísca possa saltar entre elas, dando início a um arco voltaico, conforme mostra a figura.
A ionização que resulta da faísca vai permitir, então, que a chispa transponha uma sucessão de vãos maiores que o inicial, pois a convecção faz o ar quente subir ao longo dos chifres.