6 experimentos para explorar fenômenos magnéticos com os alunos

O magnetismo é uma área da física que se ocupa da descrição dos fenômenos magnéticos e da elaboração de modelos teóricos capazes de explicá-los.  

“Especificamente se chama de magnetismo o fenômeno apresentado por algumas pedras encontradas na natureza chamadas âmbar, também conhecidas como ímãs naturais”, explica a professora do Instituto Federal do Sudeste de Minas Gerais (IFSudesteMG), Diana Tuyarot. “Porém, ímãs artificiais também podem ser construídos. Alguns materiais específicos se transformam em ímãs em presença de um campo magnético, como ferro, cobalto ou níquel”, completa.  

Na educação básica,  o magnetismo pode ser abordado a partir do 5º ano do ensino fundamental.

“Nesse momento, pode-se explorar fenômenos da vida cotidiana que apresentam a resposta de materiais diversos a forças magnéticas. Isso exige do aluno observar e descrever o comportamento de ímãs em interação com outros ímãs e também com objetos de outros materiais”, destaca o professor de física do Instituto Federal de Minas Gerais (IFMG-Campus Betim), Esdras Garcia Alves.

O magnetismo retorna aprofundadamente no 3º ano do ensino médio, quando são introduzidos o eletromagnetismo e modelos para explicar o comportamento dos materiais ferromagnéticos, diamagnéticos e paramagnéticos em interação com um campo magnético externo. 

“O eletromagnetismo trata das relações entre eletricidade e magnetismo, sendo fundamental para compreender o funcionamento de inúmeros dispositivos presentes em nosso dia a dia”, lembra Alves. 

Já os materiais ferromagnéticos são aqueles fortemente atraídos por ímãs, caso do ferro, níquel e cobalto. “Os paramagnéticos são fracamente atraídos por ímãs, como o alumínio, o urânio e a platina. Por fim, diamagnéticos são fracamente repelidos por ímãs, como o bismuto, o cobre, o chumbo, entre outros”, lista Alves.

Explore situações cotidianas

Explorar com os alunos situações do dia a dia que se apoiam em magnetismo é fundamental e ajuda a deixar a aprendizagem do conteúdo mais significativa. Os professores Tyarot e Alves citam algumas delas:

Campo magnético terrestre

O Sol emite muitas partículas de alta energia para todas as direções do espaço à sua volta, o chamado vento solar. “Parte dessas partículas chegariam ao nosso planeta e destruiriam as formas de vida aqui existente se não fosse o campo magnético terrestre. Esse campo exerce uma força magnética que as desviam, impedindo que penetrem nas camadas mais inferiores da atmosfera terrestre”, detalha Alves. Algumas dessas partículas são desviadas em direções aos polos e dão origem às auroras boreal e austral, associação que pode ser explicada aos estudantes. “A luz que se vê nessas auroras é produzida quando essas partículas ionizam os átomos da atmosfera”, descreve.

Gerador mecânico de eletricidade e motor elétrico

Nestes dois dispositivos temos a presença de ímãs e de bobinas de fios metálicos. No primeiro, o movimento dos ímãs em relação às bobinas produz energia elétrica. “Isso é o que ocorre, por exemplo, nas hidrelétricas, que produzem grande parte da energia produzida no Brasil”, assinala Alves. No motor, ocorre o oposto: a passagem de corrente elétrica pelos fios gera um campo magnético que interage com o ímã e produz o movimento do seu eixo. “Há inúmeros dispositivos que utilizam motores elétricos, como: liquidificador, barbeador, furadeira, HD e cooler do computador, secador de cabelos e os atuais carros elétricos”, elenca Alves.

Captadores de instrumentos musicais 

Em guitarras e contrabaixos elétricos, a vibração da corda de aço produz uma variação do campo magnético produzido pelos pequenos ímãs em forma de cilindro.  “Essa variação produz uma corrente elétrica nas bobinas de fios de cobre do captador que é amplificada e reproduzida pelo alto-falante”, pontua o professor. A corrente elétrica que circula pelas bobinas do alto-falante interage com o campo magnético produzido por um ímã permanente. “Como resultado, a bobina é forçada para frente e para trás, movendo o cone do alto-falante na mesma frequência do som que reproduz”, diz o professor.  

Geladeira

“Quando a geladeira é aberta, ela volta a fechar porque possui um ímã que faz isso. A borracha é construída com material específico para virar magnética”, explica Tuyarot.

Micro-ondas

Há a presença de campos magnéticos produzidos por ímãs no magnetron dos fornos de micro-ondas. “Esse campo magnético é responsável por acelerar os elétrons no processo de produção das micro-ondas nos fornos”, compartilha Alves.

Ressonância magnética

Há a utilização de intensos campos magnéticos nos exames de ressonância magnética. “A interação deles com os átomos do organismo do paciente permite que um computador produza imagens do interior de seu corpo”, orienta o docente.

Orientação das aves migratórias

Aves migratórias conseguem sentir o campo magnético da Terra para se orientarem. Estudos com pássaros como o “pisco-de-peito-ruivo” mostram que eles possuem uma proteína chamada Cry4 em seus olhos, que é sensível à luz e também reage na presença de um campo magnético. Isso permite que esses pássaros localizem o norte do planeta. 

Trem-bala

“Utiliza a levitação magnética para andar a grandes velocidades, a mais de 350km/h”, lista Tuyarot.

Experimentos ajudam no ensino 

Uso de experimentos ajudam no ensino de diversos conteúdos de física, incluindo o magnetismo. “Primeiro, porque experimento tem algo de lúdico que atrai o olhar curioso do estudante, quebra a rotina da sala de aula e o coloca em posição mais ativa e participativa. Traz algo de inesperado e isso é cativante”, justifica Alves. 

O segundo motivo é que ajuda a materializar conceitos teóricos vistos como abstratos. “Porém, o experimento não permite ver entidades teóricas como elétrons, vetores, raios de luz, dentre outras. Dessa forma, é necessário que os experimentos sejam utilizados em conjunto (com a teoria) para o estudante construir modelos apropriados a respeito dos fenômenos estudados”, alerta professor. 

A seguir, confira 6 experimentos práticos que ajudam a ensinar o conteúdo de magnetismo tanto no ensino fundamental quanto no médio.

• Visualizando campos magnéticos com limalha de ferro — ensino fundamental 

O campo magnético é uma modificação das propriedades do espaço próximo de um ímã ou de um circuito que conduz corrente elétrica. Porém, ele é invisível. 

“Ao salpicar limalha de ferro nas proximidades de um ímã, esses pequeninos pedaços de ferro se orientam como pequenas bússolas na direção das linhas do campo magnético. O resultado é a percepção de linhas em torno do ímã”, explica Alves.

Materiais necessários: 

– Limalha de ferro, ímãs de formatos diversos (de barra, de disco, de anel, etc.), folha de papel e saleiro (opcional).

Passo a passo: 

1. Peça um pouco de limalha de ferro na serralheria. “Quando o serralheiro corta as peças de aço na serra policorte sempre se acumulam pequenos grãozinhos de aço nas proximidades da máquina, como um pó de ferro. É só pegar um pouco desse pó no chão ou na máquina”, orienta o professor; 
2. Posicione um ímã embaixo de uma folha de papel branco;
3. Com os dedos, salpique a limalha de ferro sobre a folha de papel, na região onde se encontra o ímã. Salpique pouca limalha para deixar o desenho das linhas mais evidente. “Após salpicar, dê batidas na mesa para que a limalha se acomode”, orienta o professor. 

Observações: 

“É interessante chamar a atenção dos estudantes para o fato de que a limalha está se orientando de acordo com o campo magnético do ímã, ou seja, há uma modificação do espaço em torno do ímã, à qual denominamos campo magnético”, explica Alves. 

“É pela interação com esse campo que um prego é atraído pelo ímã, por exemplo. Essa noção do campo é fundamental para entender porque um ímã é capaz de atrair outros objetos mesmo à distância. Assim, esse experimento é muito bom para dar materialidade a esse campo” acrescenta.

• Ímãs atraem quais materiais? — ensino fundamental

Quanto à interação com campos magnéticos, classificamos os materiais em três tipos: ferromagnéticos, diamagnéticos e paramagnéticos. A atividade permite verificar que uma classe de materiais interage com os ímãs, ao passo que outros não.

Materiais necessários: 

– Imã e objetos de diferentes materiais (madeira, ferro, plástico, aço, papel, cobre, alumínio, latão, acrílico, etc.). Os objetos podem ser bastante diversificados, como moeda, pente, chaveiro, talheres, caneta, dentre outros.

Passo a passo:

1. Identifique de que material é feito cada objeto;
2. Aproxime o ímã dos diversos objetos e veja se eles são atraídos ou não pelo ímã; 
3. Classifique os materiais quanto à atração: ferromagnéticos, diamagnéticos e paramagnéticos.

Observações: 

O objetivo desta atividade é perceber que há uma classe de materiais que interage fortemente com o campo magnético de um ímã. “A ideia é classificar os materiais em fortemente atraídos por ímãs e os que não são atraídos”, pontua Alves. “Para o professor é interessante fazer uma lista com os materiais testados pelos estudantes no quadro”, finaliza. 

• Construindo uma bússola — ensino fundamental

“Se um objeto de material ferromagnético, como um prego ou uma agulha de costura, for imantado, ele pode funcionar como uma bússola, alinhando-se  com o campo magnético terrestre”, descreve Alves. Para isso, ele precisa estar em uma superfície com pouco atrito, como em um suporte na água.

Materiais necessários: 

– Imã, de preferência de neodímio; agulha de costura ou alfinete; prato com água e pequeno pedaço de isopor.

Passo a passo:

1. Passe o ímã diversas vezes sobre uma das extremidades da agulha, sempre no mesmo sentido. Isso fará com que a agulha fique imantada, isto é, se comporte como um ímã;
2. Coloque o pedaço de isopor no centro do prato e a agulha sobre ele;
3. Observe a movimentação da agulha. Gire a agulha tirando-a da posição de equilíbrio e note que ela sempre volta à mesma posição.

Observações: 

Oriente os estudantes a perceberem que a agulha sempre se mantém com uma mesma orientação. “Mesmo quando ela é girada, ela retorna à mesma posição”, diz o professor. 

Se você tiver uma bússola, mostre que a orientação da agulha coincide com a orientação dela. “Nesse ponto é interessante associar esse experimento com o primeiro, da limalha de ferro, pois a agulha funciona como um dos grãozinhos da limalha de ferro, se orientando conforme a linha do campo magnético terrestre na região onde ela se encontra”, recomenda Alves.

• O experimento de Oersted  — ensino médio

Oesrted foi um cientista dinamarquês que viveu entre 1777 e 1851. Em 1820, ele demonstrou que um fio condutor percorrido por corrente elétrica produz um campo magnético em torno de si. “Seu experimento tem uma importância histórica, pois estabeleceu de forma inequívoca a relação entre a eletricidade e o magnetismo, até então vistas como áreas distintas da física”, explica Alves.

Materiais necessários: 

– Fio comprido com cerca de 50 cm a 70 cm, uma pilha de 1,5 V (de preferência grande, do tipo D) e uma bússola.

Passo a passo:

1. Posicione a bússola sobre uma mesa e aguarde até que ela se oriente de acordo com o campo magnético terrestre no local;
2. Posicione o fio sobre a bússola, de modo que ele fique paralelo à agulha da bússola; 
3. Peça a alguém para conectar as extremidades do fio à pilha e observe a movimentação da agulha da bússola;
4. Inverta os polos da pilha e observe a movimentação da agulha da bússola.

Observações: 

Ao conectar as extremidades do fio à pilha, uma corrente circulará por ele. Essa corrente dá origem a um campo magnético cujas linhas são circulares em torno do fio. 

“Esse campo interage com o ímã da bússola, modificando sua orientação. A bússola se orientará de acordo com o campo resultante — a soma vetorial do campo magnético terrestre e do campo criado pela corrente em torno do fio”, explica Alves. 

Ao inverter os polos da pilha, a corrente no fio será invertida e a agulha da bússola se moverá no sentido oposto. 

• Ponto Curie — ensino médio

Os materiais ferromagnéticos são fortemente atraídos por um ímã. “Isso porque os chamados domínios magnéticos desses materiais — que podem ser considerados ímãs microscópicos em seu interior — alinham-se com um campo magnético externo”, explica Alves.

Desse modo, a orientação dos domínios magnéticos faz com que o material se comporte como um ímã com um polo oposto, sendo fortemente atraído por um ímã. Porém, alterações na temperatura podem destruir essa orientação. “E cada material possui uma temperatura em que isso ocorre, denominada temperatura Curie”, explica Alves.

Materiais necessários: 

– Agulha, linha de costura, ímã comum (não usar de neodímio), vela, fósforos e suporte em forma de U (como duas ripas de madeira pregadas em uma base).

Passo a passo:

1. Usando fita adesiva, fixe o ímã em uma das laterais do suporte;
2. Passe a linha pela agulha e prenda-a, com fita adesiva, na outra lateral do suporte. A agulha deve ficar na horizontal, atraída pelo ímã, mas na iminência de se soltar e cair;
3. Acenda a vela e coloque-a debaixo da agulha, de modo a aquecer a extremidade; 
4. Observe o que ocorrerá quando a agulha ficar bem quente.

Observações: 

Com o aquecimento, a agulha atinge a temperatura Curie e deixa de se comportar como um material ferromagnético, pois o aumento de temperatura faz com que os domínios magnéticos deixem de se apresentar orientados. 

“Quando essa temperatura for atingida a agulha deixa de ser atraída pelo ímã e cai. Porém, ao reduzir sua temperatura, o material volta a ter seu comportamento ferromagnético normal”, completa o professor. 

• Canhão de Gauss — ensino médio

Johann Carl Friedrich Gauss (1777 – 1855) propôs uma forma de acelerar um objeto sem o uso de combustão, mas de forças magnéticas. “Esse princípio pode ser visto em máquinas como trens bala, que chegam a atingir velocidades de 500km/h”, lembra Tuyarot. 

Formas práticas de construir esse canhão magnético caseiro (Canhão de Gauss) podem ser vistas em vídeo explicativo do Manual do Mundo e no artigo científico “Canhão de Gauss como facilitador do ensino de física”, de Thierry Melo.

Materiais necessários:

• 4 ímãs de neodímio N35 disco 10×4 milímetros de força aproximadamente 2 quilogramas; 0,8 metros de cano de PVC cortado em sentido longitudinal; 1  cola cianoacrilato; 10 (dez) esferas de metal; 1  estilete; 1  fita adesiva e 1  faca. 

Passo a passo: 

1. Em seu artigo, Melo orienta cortar o cano PVC em sentido longitudinal e fazer quatro fissuras em seu interior para encaixe dos ímãs de neodímio, o primeiro à 0,13 metros de uma das extremidades do cano, o segundo 0,04 metros do primeiro e, assim, sucessivamente com o terceiro e quarto ímã;
2. Tiras da fita isolante são passadas no ímã encaixado na fenda, mantendo-o fixo;
3. Na extremidade do ímã que faz contato com o cano, aplique a cola cianoacrilato para garantir sua fixação no momento do impacto;
4. Com os ímãs fixos no cano PVC e considerando o primeiro ímã o que fica à 0,13 metros da extremidade, posicione duas esferas no lado oposto à extremidade do cano. Repete-se o processo com os demais ímãs. Ao final da montagem, serão 8  esferas postas em pares na lateral oposta à extremidade do cano, ficando assim o Canhão de Gauss “armado” e pronto para disparo;
5. Para realização do disparo, será utilizado 1 das esferas sobressalente posicionando de maneira contrária à disposição das esferas no canhão. “Para realização do disparo é aplicada uma força na esfera em direção ao ímã fazendo com que ganhe velocidade, tendo assim ganho de energia cinética enquanto a energia potencial diminui, se deslocando em direção ao ímã”, explica o autor do artigo. 

Observações: 

Na colisão da esfera com o ímã, a energia cinética de um é transferida para outro e, subsequentemente para as esferas de metal. “Isso faz com que a última esfera ganhe aceleração na medida que recebe energia cinética e se desloque para o próximo ímã”, explica Melo.

Matéria publicada pelo Instituto Claro