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Universidade Estadual Vale Do Acaraú Centro de Ciências Exatas E Tecnologia Curso de Graduação em Física
Universidade Estadual Vale Do Acaraú Centro de Ciências Exatas E Tecnologia Curso de Graduação em Física
Universidade Estadual Vale Do Acaraú Centro de Ciências Exatas E Tecnologia Curso de Graduação em Física
SOBRAL
2022
JOSÉ ROBERVAL DE SOUZA BEZERRA
SOBRAL
2022
JOSÉ ROBERVAL DE SOUZA BEZERRA
BANCA EXAMINADORA
Neste trabalho foi desenvolvido experimentos de baixo custo sobre os fenômenos magnéticos
com o intuito de ensinar a física do magnetismo no ensino médio. Inicialmente foi elaborado uma
breve introdução histórica do magnetismo e suas aplicações, explicando como é produzido os
ímãs na indústria, suas características e finalidades, e definido alguns conceitos do magnetismo
como o campo magnético, linhas de campo magnético, domínios magnéticos, suscetibilidade
magnética, diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo. Foi mostrado um problema
que abrange a maioria das escolas públicas brasileiras, que é a falta de um laboratório de
ciências convencional, e como solução a esse problema foi apresentado atividades de práticas
experimentais para o ensino médio, que utiliza roteiros de experimentos de baixo custo sobre
magnetismo. Esses roteiros de experimentos foram utilizando para produzir vídeos-experimentos
que auxiliam na aprendizagem da física do magnetismo no ensino médio.
⃗B Campo magnético
⃗E Campo elétrico
⃗E
F Força elétrico
q Carga
⃗B
F Força magnética
G Gauss
I Corrente elétrica
A Área da espira
X Suscetibilidade magnética
C Constante de Curie
T Temperatura
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 PRINCIPIOS DO MAGNETISMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Força magnética sobre uma carga em movimento . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Campo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Linhas de Campo Magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 MATERIAIS MAGNÉTICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1 Domínios magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Tipos de Magnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 A Influência da temperatura no magnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4 EXPERIMENTOS DE BAIXO CUSTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1 Bússola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2 Linhas de campo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3 Domínios magnéticos de um cartão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4 Pêndulo de Curie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.5 Diamagnetismo da água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
APÊNDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
ANEXOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
11
1 INTRODUÇÃO
campo magnético os vários ímãs existentes e como o campo magnético é representado através
de linhas de campo inclusive o da terra. No capítulo três foi explicado como surge os domínios
magnéticos e o comportamento dos materiais magnéticos, diamagnéticos, paramagnéticos e
ferromagnético. Também abordamos no mesmo capítulo a temperatura de Curie, explicando a
influência da temperatura nos materiais ferromagnéticos. No capítulo quatro foi apresentado o
senso escolar de 2020, que mostra a triste realidade da falta de laboratório de ciências nas escolas
Brasileiras, construímos roteiros de experimentos de baixo custo apresentando o funcionamento
dos mesmos em vídeos, e por fim foi criado um questionário opcional para a avaliação da
aprendizagem dos alunos, após a aplicação das atividades práticas experimentais.
13
2 PRINCIPIOS DO MAGNETISMO
FB
B=
|q|v
Uma partícula carregada entrando, sob diferentes ângulos, em uma região que
apresenta um campo magnético externo, verifica-se que o módulo da força magnética é máximo
em 90◦ e tem um valor nulo em 0◦ e 180◦ , verificou-se também que a resultante da força é
⃗B da seguinte
sempre perpendicular a velocidade, portanto podemos escrever o modulo de F
forma, FB = |q|vB senφ , onde φ é o ângulo entre a velocidade e o campo.
Fonte: (FORÇA. . . , )
Fonte: (ELETROÍMÃ, )
A agulha mágica, embora contida em uma caixa, foi perturbada; mas como o
efeito foi muito pequeno, e teria de, antes de sua lei ter sido descoberta, ser
aparentemente muito irregular, os experimentos não deixaram uma impressão
forte na plateia.
(GUIMARÃES, 2011)
15
O ímã é uma fonte de campo magnético comum no nosso cotidiano, existe ímãs
naturais e artificiais: os ímãs naturais são encontrados na natureza, em forma de minérios,
exemplo a magnetita também conhecido como pedra-ímã, esse tipo de ímã tem um campo
magnético fraco e os ímãs artificiais são produzido nas industrias tendo um campo magnético
forte, a intensidade desse campo vai depender do tipo de liga metálica que foi construído o ímã.
Existe três materiais com propriedades intrínsecas que são insubstituível na hora de construir um
ímã, pelo menos um deles deve fazer parte da liga metálica, que são o ferro, níquel e cobalto,
com a liga metálica pronta basta colocar a mesma na presença de um eletroímã com campo
magnético forte, com isso os átomos da liga metálica serão organizados conforme o campo
magnético aplicado e na sequencia temos um ímã permanente.
Na indústria brasileira é possível encontrar quatro tipos de ímãs, cada um com
características e aplicações diferentes, o primeiro e mais comum é o ímã de neodímio conforme
mostra na figura 3 a, sua liga metálica é feita com os elementos neodímio, ferro e boro, de
todos os ímãs ele é o que possui a maior capacidade de atração magnética, um ímã de neodímio
com um tamanho pouco maior que uma moeda de 25 centavos é capaz de sustentar um objeto
ferromagnético de 10kg, porém são frágeis podem perder sua capacidade de atração quado
expostos a temperaturas de 80ºC, a choques mecânicos, e sofrem corrosão com facilidade por
isso são revestidos com outro material para protegê-los. No nosso cotidiano é comum ver ímãs
de neodímio em bolsas, tampas de perfumes, artesanato, ele é aplicado também em motores,
geradores, equipamentos de rastreamento, imagens de ressonância magnética, fechaduras de
portas e outros. O segundo é o ímã de ferrite conforme mostra a figura 3 b, sua liga metálica é
feita com os elementos ferro, boro, bário, estrôncio ou molibdênio, ele não tem uma capacidade
de atração magnética forte, para conseguir a mesma “força” do ímã de neodímio é preciso ter
um um volume 18 vezes maior, as vantagens do ímã de ferrite é o baixo custo, sua resistência
a corrosão e a temperatura, a qual pode chegar a aproximadamente 300ºC, ele tem muitas
aplicações, mas a principal aplicação deles é em alto-falantes, em formatos de anéis. O terceiro é
o ímã de alnico conforme mostra na figura 3 c, sua liga metálica foi descoberta na década de
1920, ela é feita com os elementos ferro, alumínio, níquel e cobalto, sua principal aplicação é
na indústria automobilística, em motores elétricos, pequenos geradores, válvulas, velocímetros,
tacógrafos, medidores de energia elétrica entre outros. O quarto é o ímã de samário cobalto
conforme mostra na figura 3 d, sua liga metálica é feita com samário um elemento de terras
raras, sua capacidade de atração é pouco menor que a do ímã de neodímio, ele é resistente a
16
oxidação e pode resistir a temperaturas de 250ºC a 350ºC, sua desvantagem é ser mecanicamente
frágil quebrando facilmente, não pode passar por processos de usinagem e ele tem um alto custo
(KOIMAS, ).
Figura 3 – Ímãs
Fonte: (KOIMAS, )
O campo magnético exerce uma força que interage a distância com ímãs e cargas
elétricas em movimento. O cientista Michael Faraday foi o primeiro a examinar os padrões
formados por limalha de ferro na presença do campo magnético de um ímã, ele representou
esses padrões através das linhas de campo magnético (GUIMARÃES, 2011). Essas linhas de
campo são representadas de forma que a direção do vetor campo magnético é sempre tangente
as linhas de campo, a intensidade do campo é proporcional a densidade de linhas, ou seja, nos
pólos de um ímã onde o campo tem um valor maior existe um pequeno espaçamento entre as
linhas e na medida que se afasta do pólo do ímã o campo diminui e o espaçamento entre as linhas
aumentam, as linhas não se cruzam e formam ciclos fechados entre os pólos, no exterior do ímã
as linhas vão do pólo norte ao pólo sul e no interior do ímã as linhas vão do pólo sul ao pólo
norte (HALLIDAY RESNICK, 2009).
A terra também possui um campo magnético que pode ser representado por linhas de
campo, esse campo pode ser detectado com o auxílio de uma bússola, pois sua agulha sempre está
alinhada aproximadamente na direção norte-sul geográfico, onde o lado norte da bússola é atraído
pelo polo sul magnético da terra que está aproximadamente localizado no polo norte geográfico,
17
e o mesmo acontece para o lado sul da bússola que é atraído pelo pólo norte magnético que se
encontra aproximadamente no pólo sul geográfico conforme a figura 4 (HALLIDAY RESNICK,
2009).
Fonte: (PÓLOS. . . , )
18
3 MATERIAIS MAGNÉTICOS
Sabemos que o fluxo de elétrons através de uma espira de cobre gera campo magné-
tico e consequentemente um momento de dipolo magnético, perpendicular ao plano da espira.
Nos materiais o campo magnético pode ser produzido pelas correntes orbitais de seus átomos.
Bem, para facilitar a compreensão, podemos observar o átomo mais simples que conhecemos
o átomo de hidrogênio, pois ao redor do seu núcleo existe apenas um elétron e quando esse
elétron orbita o núcleo do átomo faz um movimento análogo ao da espira. Esse único elétron do
hidrogênio é capaz de gerar um momento de dipolo magnético, dado por µ⃗L = IAn̂ onde I é a
corrente elétrica, A é a área da espira e n̂ é o verso perpendicular ao plano da órbita do elétron.
A unidade de µ⃗L no SI é ampère metro quadrado A · M2 , esse tratamento também se estende
a átomos com mais de um elétron orbitando no seu núcleo, os momentos de dipolo atômicos
interagem entre si, tal que nos materiais ferromagnéticos esses momentos de dipolos formam um
alinhamento preferencial em certas regiões microscópicas que funcionam como pequenos ímãs,
chamado de domínio magnético (HALLIDAY et al., 2011), a figura 5 (c) ilustra um material
com vários domínios magnéticos, apontando em sentidos aleatórios.
do material cai a medida que a temperatura aumenta esse fenômeno foi publicado em um artigo
em 1895 por um físico francês Pierre Curie (1859-1906).
Fonte: (QEDU, )
4.1 Bússola
Sabemos que a terra se comporta como um grande ímã por conta de suas interações
magnética, a hipótese mais aceita a respeito desse comportamento magnético diz que ele ocorre
devido o movimento de cargas elétricas no núcleo da terra. Quando um ímã em forma de barra é
pendurado por um fio ele é alinhado espontaneamente com o campo magnético da terra o polo
23
sul do ímã aponta para o polo norte magnético da terra e o polo norte do ímã aponta para o
polo sul magnético da terra, o mesmo alinhamento ocorre com a agulha de uma bussola que
não deixa de ser um ímã. Com auxílio de uma bússola pode-se introduzir conteúdos no ensino
médio como campo magnético da terra e polos magnetíticos de um ímã. É possível construir
uma bússola com materiais simples, a da figura 10 por exemplo pode ser feita com os seguintes
materiais, um pedaço de madeira para servir de base, um pedaço de fio rígido de cobre, pois
ele não sofre atração magnética, um parafuso auto atarraxante com arruela ou um prego para
fixar o fio na madeira, um pedaço de linha, uma agulha de costura e um ímã. Para deixar a
bússola funcionando é necessário imantar a agulha da seguinte forma, escolha um lado do ímã e
friccione varias vezes um lado qualquer da agulha sempre do meio da agulha até a borda, repita
a operação com o outro lado da agulha friccionando o outro lado do ímã, após imantar a agulha
ela se alinhará com o campo magnético da terra, ficando no sentido norte-sul, se soubermos qual
o norte e o sul geográficos de onde estamos localizados é possível descobrir as polaridades do
ímã, por exemplo se a ponta da agulha (lado perfurante) apontar para o sul geográfico, quando
aproximarmos uma das faces do ímã a bússola, se a ponta da agulha for atraída então aquela face
é o polo norte se a ponta for repelida então aquela face é o polo sul.
Figura 8 – Código QR
da bússola
As pessoas não podem tocar ou sentir um campo magnético, o que podemos fazer é
“visualizar” utilizando alguns métodos, por exemplo verificar a indicação de uma bussola em
diferentes posições ao redor de um ímã, outra forma de “visualizar” é lançando limalha de ferro
ao redor de um ímã com esse método é possível ver as linhas de campo magnético entre os polos.
Explicar linhas de campo magnético no ensino médio utilizando métodos tradicionais como
quadro e pincel requer dos alunos muita habilidade em experimentos mentais para compreender,
pois é um assunto abstrato, mas é possível facilitar essa aprendizagem utilizando um experimento
de baixo custo feito com materiais simples, um recipiente plástico com fundo plano, dois ímãs
de ferrite com o polo norte identificado de vermelho, limalha de ferro e dois pedaços de madeira,
conforme a figura 9.
Para montar o experimento basta posicionar os ímãs com o polo sul de um ímã
apontando para o polo norte do outro ímã entre as madeiras, colocar o recipiente plástico sobre
25
as madeiras e salpicar limalha de ferro dentro do recipiente, com isso podemos visualizar as
linhas de campo magnética, o resultado obtido para esse posicionamento de polos é as linhas de
campo se atraindo, por isso a limalha tende a se concentrar no centro do recipiente conforme a
figura 10.
Figura 12 – Código QR
das linhas de campo
Nos cartões bancários existem uma tarja magnética com pequenas regiões magneti-
záveis, essas regiões são magnetizadas afim de formar um código binário, capas de armazenar
todas as informações bancarias de seu portador, essas informações são detectadas nos caixas
eletrônicos por uma bobina enrolada num núcleo de ferro que por sua vez libera sinais elétricos
para um computador decodificador. Com o auxílio de um cartão magnético e um pouco de lima-
lha de ferro fina, é possível explicar a alunos do ensino médio o que são domínios magnetíticos e
suas aplicações em armazenamento de dados, nas fitas magnéticas e discos regidos, o primeiro
passo para fazer esse experimento é obter uma limalha de ferro fina, para isso é necessário algum
objeto de ferro e uma lixa com granulometria fina, para friccioná-los até obter a limalha, nesse
experimento foi utilizado um prego e alguns pedaços de lixa com granulometria 211 ou seja a
lixa tem 211 grãos por centímetro quadrado, conforme a figura 13.
cartão sem tocar na tarja, após deixar a limalha uniforme, pode-se deixar o cartão na posição
vertical e dar algumas batidas para o excesso de limalha cair, o resultado obtido é pequenos
bastonetes magnéticos capas de atrair a limalha de ferro funcionando como pequenos ímãs com
polos positivos e negativos conforme a figura 14 formando uma serie de códigos binários, que
carregam informações do cartão, essas informações são lidas quando os cartões são inseridos em
caixas eletrônicos e leitoras de cartão nos comércios.
Figura 14 – Cartão
Figura 16 – código QR
domínios magnéticos
raio com o auxílio de uma serra ou uma lima para o pêndulo oscilar com facilidade, apoiar o ímã
na lateral do raio sobre a madeira, prender uma ponta de um pequeno pedaço de fio de cobre no
friso do raio e a outra ponta no fundo da agulha afim de que o fundo da agulha possa ser atraído
pelo ímã, por fim basta posicionar a vela em baixo do fundo da agulha e acendê-la, quando o
fundo da agulha aquece chegando no ponto de curie ela perde suas propriedades magnéticas e
deixa de ser atraída pelo ímã, quado resfria volta a ser atraído fazendo um movimento periódico.
O ideal nesse experimento e usar um material de níquel pois ele tem um ponto de Curie menor
que o do ferro conforme a tabela 3, o fundo da agulha utilizado nesse experimento tem um ponto
de curie maior que o níquel pois as agulhas são feitas de aço que é constituído principalmente de
ferro e carbono, mas como o fundo da agulha tem um volume muito pequeno a vela consegue
aquecê-lo com facilidade.
Figura 18 – Pêndulo
30
Figura 19 – Código QR
do pendulo de Curie
É fácil explicar ferromagnetismo no ensino médio pois seus efeitos são bem percep-
tíveis no nosso cotidiano, entretanto essa realidade não se aplica ao diamagnetismo que tem
um efeito fraco, esse efeito é uma pequena força de repulsão entre um material diamagnético e
um ímã, ocasionada pelos domínios magnéticos do material que tendem a alinhasse na mesma
direção e sentido contrario, por exemplo, quando aproximamos o polo norte de um ímã em um
material diamagnético, surge uma pequena magnetização induzida dentro do material o lado que
está voltado para o ímã fica com a mesma polaridade norte, ou seja os campos sempre ficam
em sentidos diferentes ocasionando uma repulsão. para facilitar a aprendizagem dos alunos
é possível construir um experimento capas de verificar o efeito diamagnético da água, essa
construção é feita com materiais simples conforme a figura 20, dois pedaço de madeira para
servir de base, um raio danificado da roda de uma bicicleta que pode ser encontrado na sucata
de oficinas mecânicas dobrado em forma de “L” ou uma haste metálica qualquer que possa ser
dobrada, duas seringas de 3ml, alguns ímãs de neodímio retirados de discos rígidos e leitores de
DVD, um pedaço de linha, um pequeno prego e cola instantânea. Para montar o experimento
é simples basta furar a madeira maior com uma furadeira ou com um prego para introduzir o
raio, é preferível fazer um pequeno friso na ponta externa do raio com o auxílio de uma serra ou
uma lima para facilitar na hora de prender uma ponta da linha, a outra ponta da linha ficará presa
nas bases das seringas após unidas com cola instantânea e enchê-las com água, depois pode-se
fazer uma base para apoiar os ímãs, bastando apenas enfiar o prego na ponta da madeira menor
31
para fixar os ímãs, na sequência basta aproximar os ímãs em uma das seringas e ver a força de
repulsão que age entre os dois.
Figura 21 – Código QR
do diamagnetismo
32
5 CONCLUSÃO
Neste trabalho de conclusão de curso, foi apresentado uma breve historia do magne-
tismo suas aplicações, evoluções tecnológicas, com enfase em materiais magnéticos e atividades
práticas experimentais para o ensino médio utilizado materiais de baixo custo, afim de suprir a
falta de um laboratório convencional, utilizando essa temática foi possível construir experimentos
capazes de contribuir no ensino de alguns assuntos do magnetismo como, campo magnético,
polos magnéticos, linhas de campo magnético, domínios magnéticos e materiais diamagnéticos,
espero que a aplicação desses experimentos possa entusiasmar alunos, criando neles a vontade
de observa e investigas os fenômenos naturais e que esses experimentos possam fazer parte de
um roteiro de experimentos de baixo custo que abranja todo o magnetismo.
33
REFERÊNCIAS
HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; KRANE, K. S. Física. Vol. 3 . [S. l.]: Grupo Gen-LTC, 2011.
HALLIDAY RESNICK, J. W. Fundamntos de Física. Vol. 3 . [S. l.]: Grupo Gen-LTC, 2009.
4. Uma bussola é colocada no ponto “x” entre dois ímãs conforme a figura abaixo, marque a
alternativa que representa a orientação da agulha da bussola nesse ponto.
a) b) c) d)