Experimento de Eletromagnetismo: Como Fazer uma Bobina se Mover com Corrente Elétrica e Ímã
Como transformar corrente elétrica em movimento usando apenas uma bobina de cobre, um ímã permanente e duas pilhas?
Neste experimento de eletromagnetismo, uma bobina suspensa interage com o campo magnético de um ímã e pode ser colocada em movimento por meio da passagem de corrente elétrica.
Além de ser uma demonstração visual bastante interessante, a atividade permite trabalhar conceitos de corrente elétrica, campo magnético, força magnética, polaridade, inércia, gravidade e transformação de energia.
O kit acompanha um manual impresso com as etapas de montagem. Por isso, neste tutorial vamos focar principalmente em como fazer o experimento funcionar melhor e entender a física por trás do movimento.
Figura 1 – Kit de Experimento Eletromagnético montado e pronto para demonstração.
Veja o experimento funcionando
Antes de entender os detalhes, veja no vídeo abaixo o comportamento do experimento em funcionamento:
No vídeo é possível perceber um detalhe importante: para tornar o movimento mais evidente, a bobina recebe pequenos pulsos de energia em vez de permanecer continuamente energizada.
Qual é o princípio físico deste experimento?
Quando uma corrente elétrica percorre um condutor localizado dentro de um campo magnético, pode surgir uma força magnética atuando sobre esse condutor.
No nosso experimento, o condutor é uma bobina de cobre e o campo magnético é produzido por um ímã permanente instalado logo abaixo dela.
Quando fechamos o circuito, a corrente percorre a bobina. A interação entre essa corrente elétrica e o campo magnético do ímã produz uma força capaz de deslocar a bobina.
Corrente elétrica + campo magnético = força sobre a bobina e, consequentemente, movimento.
Esse é um exemplo de transformação de energia elétrica em energia mecânica.
Figura 2 – Representação simplificada da transformação da energia elétrica em movimento.
Por que ligar e desligar a corrente?
Durante nossos testes com o kit, observamos que manter a bobina continuamente energizada nem sempre produz um movimento de balanço muito evidente.
O efeito fica mais fácil de visualizar quando a bobina recebe pulsos curtos de energia.
A sequência pode ser entendida da seguinte maneira:
- A bobina está em movimento.
- O circuito é energizado por um breve instante.
- A força magnética fornece um novo impulso à bobina.
- A corrente é interrompida.
- A bobina continua se movimentando por inércia.
- A gravidade contribui para trazê-la novamente em direção à posição de equilíbrio.
- Na passagem seguinte, um novo pulso pode acrescentar mais energia ao movimento.
É semelhante ao que fazemos ao empurrar alguém em um balanço: um pequeno impulso aplicado no momento correto pode aumentar a amplitude do movimento.
Figura 3 – Sequência de energização e movimento da bobina.
Como aplicar os pulsos de energia?
Uma maneira simples de realizar a demonstração é utilizar uma das garras jacaré como uma espécie de interruptor manual.
Na montagem utilizada pela Casa da Robótica:
- mantenha a garra jacaré preta conectada ao fio preto do suporte de pilhas;
- utilize a garra jacaré vermelha para fazer e interromper o contato com o fio vermelho do suporte de pilhas.
Comece dando um pequeno impulso lateral na bobina.
Quando ela estiver passando pela região central, próxima ao ímã, encoste rapidamente a garra vermelha no fio vermelho. A bobina será energizada e receberá uma força magnética.
Logo depois, afaste novamente a garra para interromper a corrente e deixe a bobina continuar seu movimento livremente.
Repita o procedimento nas passagens seguintes.
O objetivo não é manter a bobina continuamente energizada. Para esta demonstração, ligar e desligar a corrente faz parte do próprio experimento.
Qual é o melhor momento para energizar?
Esse é um dos pontos mais interessantes da atividade.
O pulso deve ajudar o movimento que a bobina já está realizando. Se for aplicado no momento adequado, a amplitude do balanço tende a aumentar.
Uma maneira prática de encontrar esse momento é:
- dê um pequeno impulso inicial;
- observe a bobina passando próxima ao ímã;
- aplique um pulso curto enquanto ela se desloca para um dos lados;
- observe o comportamento após o pulso.
Se o movimento aumentar, tente repetir o contato aproximadamente no mesmo ponto do ciclo.
Se a bobina perder velocidade ou parecer ser puxada no sentido contrário, não mantenha a corrente ligada. Espere a próxima passagem e teste novamente.
Isso permite mostrar ao aluno uma ideia muito importante da física: não basta aplicar uma força; o momento e o sentido em que essa força é aplicada também influenciam o resultado.
E se invertermos a polaridade?
A direção da corrente elétrica na bobina também influencia a interação magnética.
Por isso, caso o pulso esteja diminuindo o movimento em vez de aumentá-lo, uma possibilidade é inverter a polaridade da alimentação.
Na prática, você pode trocar as conexões:
- garra vermelha no fio preto;
- garra preta no fio vermelho.
Ao inverter o sentido da corrente, também alteramos o sentido da interação magnética sobre a bobina.
Essa simples mudança rende uma excelente discussão em sala de aula sobre polaridade e sentido da corrente elétrica.
Dicas para conseguir um movimento melhor
Como este é um experimento de montagem e regulagem, pequenos ajustes fazem bastante diferença.
1. Centralize a bobina
A parte inferior da bobina deve ficar aproximadamente alinhada ao centro do ímã.
2. Ajuste a distância entre bobina e ímã
Como referência inicial, deixe aproximadamente 3 a 5 mm entre a parte inferior da bobina e a superfície do ímã.
Essa distância deve ser considerada um ponto inicial de regulagem. Faça pequenos ajustes até encontrar uma posição em que o efeito fique mais evidente.
A bobina deve ficar próxima do ímã, mas não deve encostar nele durante o movimento.
Figura 4 – Distância inicial recomendada entre a bobina e o ímã.
3. Deixe a bobina livre para se movimentar
Os fios da bobina ficam apoiados nos parafusos com olhal instalados na barra superior.
Eles não devem ficar excessivamente presos ou apertados. Quanto maior o atrito nesses pontos, maior será a perda de energia durante o movimento.
4. Remova corretamente o verniz do fio
O fio de cobre da bobina possui uma camada isolante.
Nos pontos em que o fio fica apoiado dentro dos parafusos com olhal, essa camada precisa ser removida cuidadosamente até que o cobre metálico fique visível.
Se o verniz permanecer nesses pontos, o contato elétrico pode ficar ruim ou simplesmente não existir.
5. Utilize pilhas em boas condições
Uma alimentação fraca também reduz o efeito magnético. Por isso, recomendamos utilizar 2 pilhas AA alcalinas em boas condições.
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O experimento não está funcionando como esperado?
Alguns pequenos ajustes podem fazer grande diferença no resultado. Veja os problemas mais comuns:
| Problema | O que verificar |
|---|---|
| A bobina não se move | Verifique as pilhas, os contatos elétricos, a remoção do verniz e dê um pequeno impulso inicial. |
| Move pouco e para | Aproxime um pouco a bobina do ímã, reduza o atrito nos olhais e confira o estado das pilhas. |
| A bobina encosta no ímã | Aumente um pouco a distância entre os dois. |
| O movimento está torto | Confira se os dois fios possuem comprimentos semelhantes e se os olhais estão na mesma altura. |
| O pulso diminui o movimento | Teste o pulso em outro momento do ciclo ou experimente inverter a polaridade. |
Transforme o experimento em uma investigação científica
Em vez de apenas demonstrar o movimento, professores e alunos podem utilizar o kit para investigar diferentes variáveis.
Algumas perguntas interessantes são:
- A distância entre a bobina e o ímã influencia o movimento?
- O que muda quando invertemos a polaridade?
- O momento em que aplicamos o pulso altera a amplitude do balanço?
Uma atividade simples é testar diferentes distâncias entre a bobina e o ímã e registrar o comportamento observado.
| Distância | Comportamento observado |
|---|---|
| 3 mm | Registrar durante o experimento |
| 5 mm | Registrar durante o experimento |
| 10 mm | Registrar durante o experimento |
Assim, o aluno deixa de apenas reproduzir uma montagem e passa a realizar uma verdadeira investigação científica.
Uma ótima ideia para feira de ciências
Esse experimento pode ser utilizado em uma feira de ciências porque permite apresentar tanto um fenômeno visual quanto uma explicação física.
O aluno pode organizar sua apresentação em quatro etapas:
- Problema: como a corrente elétrica pode produzir movimento?
- Hipótese: a interação entre a corrente na bobina e o campo magnético do ímã pode produzir uma força.
- Experimento: energizar a bobina em diferentes momentos e observar seu movimento.
- Conclusão: a corrente elétrica interagindo com o campo magnético pode gerar força e movimento mecânico.
Também é possível mostrar ao público que o momento em que a energia é fornecida influencia diretamente a amplitude do balanço.
O que podemos aprender com este experimento?
Uma montagem relativamente simples permite trabalhar diversos conceitos:
- corrente elétrica;
- campo magnético;
- efeito magnético da corrente;
- força magnética;
- sentido da corrente e polaridade;
- inércia;
- gravidade;
- movimento oscilatório;
- transferência de energia;
- transformação de energia elétrica em energia mecânica.
Além disso, o processo de ajustar a distância, testar a polaridade e descobrir o melhor momento para energizar a bobina estimula a observação, formulação de hipóteses, experimentação e análise de resultados.
Cuidados durante o experimento
- Não encoste diretamente os fios positivo e negativo do suporte de pilhas.
- Não una as duas garras jacaré entre si enquanto estiverem conectadas às pilhas.
- Essas situações podem provocar um curto-circuito.
- Retire as pilhas do suporte depois de finalizar a atividade.
- O kit contém peças pequenas. Crianças devem realizar a atividade com acompanhamento de um adulto ou professor.
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Conclusão
O mais interessante deste experimento não é apenas observar a bobina se movimentando.
Ao testar diferentes distâncias, inverter a polaridade e escolher o momento correto para energizar o circuito, o aluno consegue perceber que diversos fatores interferem diretamente no comportamento de um sistema físico.
É exatamente esse processo de observar, testar, comparar e tentar novamente que transforma uma demonstração simples em uma verdadeira experiência científica.
Bacharel em Engenharia de Computação. Um dos criadores do Blog da Robótica. Faz parte da equipe Casa da Robótica desde 2017. Apaixonado por tecnologias e pelas “loucuras” que é possível criar usando microcontroladores e impressoras 3D. Ex-BBB, mas isso é uma longa história... que poderá ser contada posteriormente.
