CAPÍTULO

9 Eletricidade e magnetismo

A foto a seguir mostra o sistema de transporte maglev (sigla em inglês para magnetic levitation). Esse trem é um meio de transporte que atinge alta velocidade, pois não utiliza rodas. Ele flutua sobre os trilhos por meio de forças de atração e de repulsão, geradas por fenômenos elétricos e magnéticos.

Questão 1. Em sua opinião, qual é a principal vantagem do trem Maglev ao se mover sem contato com os trilhos?

Resposta nas orientações ao professor.

Questão 2. O trem Maglev flutua sobre os trilhos por meio de forças de atração e de repulsão. Cite outra situação em que é possível observar a atuação dessas forças.

Resposta nas orientações ao professor.

Ao longo do tempo, o ser humano desenvolveu várias tecnologias que facilitaram suas tarefas diárias, como a criação de lâmpadas, que iluminam ambientes, e de aparelhos elétricos e de transporte, como o trem Maglev. A criação desses e de outros objetos foi possível por meio do conhecimento acerca dos fenômenos naturais associados à eletricidade e ao magnetismo, bem como suas relações.

O interesse da humanidade pelos fenômenos elétricos e magnéticos ocorre desde a Antiguidade, quando foram estudados, por exemplo, pelo filósofo grego Tales de Mileto (aproximadamente 624 a.C.-aproximadamente 556 a.C.). Leia a seguir algumas observações feitas por ele.

Em relação à eletricidade, Tales de Mileto observou que, ao esfregar um pedaço de âmbar^✚ no pelo de alguns animais, ele adquiria a propriedade de atrair pequenos corpos, como a palha.

Já em relação ao magnetismo, Tales observou que pequenas rochas eram capazes de atrair materiais de ferro $\left(\text{Fe}\right)$.

Glossário

Observações como essas feitas por Tales de Mileto e por vários pesquisadores ao longo dos anos são a base para a compreensão da eletricidade e do magnetismo, que vamos estudar com mais detalhes neste capítulo.

Professor, professora: Os símbolos dos elementos químicos e as fórmulas químicas das substâncias serão apresentadas na primeira ocorrência, por capítulo.

Tipos de energia

Antes de iniciarmos o estudo sobre a eletricidade, é necessário primeiro compreendermos o que é energia, bem como os tipos de energia existentes.

A energia é uma grandeza física que está envolvida nos processos em que um corpo realiza trabalho^✚ e pode se manifestar de diferentes formas, como mecânica, térmica e elétrica. A energia pode ser transformada de uma forma para outra, transferida de um corpo para outro e conservada.

Trabalho

: grandeza escalar relacionada com a transferência de energia de um corpo para outro.^↰

Diferentes tipos de energia estão presentes em situações do nosso cotidiano. Por exemplo, os alimentos são formados por várias moléculas que estão ligadas umas às outras. Nessas ligações moleculares, há energia química armazenada.

Quando ingerimos os alimentos, a energia química armazenada neles é transformada em outros tipos de energia. Assim, quando realizamos alguma atividade, como andar de bicicleta, a energia química, obtida dos alimentos em nosso organismo, é transformada em energia de movimento, a chamada energia mecânica.

Em aparelhos elétricos, como ventiladores e liquidificadores, a energia elétrica é transformada em energia mecânica, gerando a rotação das hélices, e também em energia térmica.

Os painéis fotovoltaicos^✚ são estruturas capazes de transformar parte da energia luminosa dos raios solares em energia elétrica, utilizada no funcionamento de aparelhos elétricos em residências, por exemplo.

Glossário

Fontes de energia

A foto a seguir mostra um carro híbrido^✚, o qual funciona com a combinação de um motor elétrico e um motor de combustão. Analise a imagem.

Glossário

Questão 3. Quais são os tipos de energia que os motores de um carro híbrido utilizam em seu funcionamento?

Resposta: O motor elétrico utiliza energia elétrica, e o motor de combustão utiliza energia química.

Questão 4. Em sua opinião, quais são as fontes de energia que proporcionam o funcionamento de um carro híbrido?

Resposta pessoal. Espera-se que os alunos respondam que o carro híbrido utiliza a energia elétrica proveniente de bateria para o funcionamento do motor elétrico e a energia química proveniente de combustíveis, como a gasolina e o etanol, para o funcionamento do motor de combustão.

Como você pode verificar na foto, o carro híbrido utiliza um motor elétrico e um motor de combustão. A energia elétrica fornecida para o funcionamento do motor elétrico desse carro é obtida por meio das reações químicas que acontecem no interior de uma bateria elétrica. Já o motor de combustão utiliza combustível, como a gasolina ou o etanol, para funcionar.

Os recursos com os quais conseguimos gerar algum tipo de energia são chamados fontes de energia. Elas podem ser classificadas em renováveis e não renováveis. Vamos estudar cada uma delas a seguir.

As fontes de energia não renováveis são aquelas que se regeneram ao longo de milhões de anos em um ritmo bem menor do que são utilizadas e, por isso, podem se esgotar no ambiente.

O petróleo, o carvão mineral, o gás natural e o urânio^✚ $\left(\text{U}\right)$ são exemplos de fontes não renováveis de energia.

Glossário

Os recursos não renováveis são utilizados diariamente, por exemplo, para gerar energia para o funcionamento de máquinas, em indústrias, e para meios de transporte, como automóveis e aviões.

As fontes de energia renováveis são aquelas que têm a capacidade de se renovar naturalmente no ambiente a um ritmo capaz de suprir o de sua utilização, evitando que se esgotem.

Objeto digital

Vamos conhecer a seguir alguns exemplos de fontes renováveis de energia.

Professor, professora: As usinas hidrelétricas, eólicas, solares, termoelétricas e termonucleares serão abordadas com mais detalhes ainda nesta unidade.

A água é um recurso renovável utilizado pelas usinas hidrelétricas para gerar energia elétrica.

Nessas usinas, a energia mecânica do movimento da água é transformada em energia elétrica, que será conduzida até as cidades e suas residências.

A água dos oceanos também é uma fonte de energia renovável.

O movimento de subida e de descida do nível de água do mar gera energia mecânica, que é transformada em energia elétrica pelas usinas chamadas maremotrizes.

Professor, professora: Ao abordar as usinas maremotrizes, explique aos alunos que a subida e a descida do nível de água do mar, a chamada maré, ocorre em razão da atração gravitacional mútua entre a Lua e a Terra.

Outras fontes renováveis de energia são o calor e o vapor de água provenientes do interior da Terra. Nas usinas geotérmicas, parte da energia geotérmica é transformada em energia elétrica.

Geralmente, essas usinas são instaladas em locais que apresentam atividades vulcânicas.

A luz solar também é um recurso renovável. Como estudamos, a energia proveniente do Sol pode ser utilizada para a geração de energia elétrica por meio dos painéis fotovoltaicos.

Além desse uso, a energia proveniente da luz solar também pode ser transformada em energia térmica, em aquecedores solares de água.

Nesse tipo de aquecedor, a luz solar, ao atingir as placas coletoras, aquece a água presente no interior de tubulações. A água aquecida é encaminhada por meio dessas tubulações até o reservatório térmico, no qual é armazenada.

Nas residências, o aquecedor fornece água quente para os chuveiros e piscinas, por exemplo.

O vento é um recurso renovável utilizado pelas usinas eólicas para gerar energia elétrica.

Nessas usinas, a energia mecânica do movimento das hélices de turbinas pelo vento é transformada em energia elétrica.

Outro exemplo de fonte renovável é a matéria orgânica de origem animal e vegetal, a chamada biomassa.

Nos biodigestores, a decomposição da biomassa produz o biogás. A combustão deste recurso nas usinas elétricas, permite transformar a energia química do biogás em energia elétrica.

Atividades

Faça as atividades no caderno.

1. Reescreva a frase a seguir em seu caderno, substituindo █ pelas palavras adequadas a seguir. Existem palavras que não serão usadas para completar a frase.

luminosa

química

elétrica

térmica

mecânica

a) No corpo humano, a energia █ obtida pela ingestão é transformada em energia █. Essa energia é utilizada pelo organismo para manter a temperatura corpórea.

Resposta: química; térmica.

2. Relacione os aparelhos elétricos à principal transformação de energia que ocorre neles. Para isso, forme os pares de letras e números.

Resposta: A – 2; B – 3; C – 1.

3. Julgue os itens a seguir e identifique a alternativa correta.

a) Todos os itens estão corretos.

b) Somente os itens 1 e 2 estão corretos.

c) Somente os itens 2, 3 e 4 estão corretos.

d) Somente os itens 2 e 4 estão corretos.

Resposta: Alternativa d.

Eletricidade

Como estudamos, Tales de Mileto esfregou um pedaço de âmbar no pelo de animais, o qual adquiriu a propriedade de atrair pequenos corpos. O que será que acontece se esfregarmos os nossos cabelos com um balão de festa? Para responder a essa questão, em um dia de baixa umidade relativa do ar, faça a atividade a seguir.

Ao fazer a atividade anterior, você investigou um fenômeno relacionado à eletricidade, assunto que você estudará a seguir.

Os átomos apresentam duas partículas com propriedades elétricas – os prótons e os elétrons. O estudo dos fenômenos que envolvem cargas elétricas é chamado eletricidade. Essa área é dividida em eletrostática e eletrodinâmica. Vamos estudar cada uma delas a seguir.

Eletrostática

Em um dia de inverno com baixa umidade relativa do ar, Ana sentiu um leve choque elétrico quando tocou a porta de seu carro. Observe a seguir.

Questão 5. Em sua opinião, por que isso aconteceu com Ana? Registre sua resposta no caderno.

Resposta pessoal. Espera-se que os alunos argumentem que isso ocorreu porque o carro ou o corpo de Ana estava carregado eletricamente, de maneira que, ao tocar a porta metálica, ocorreu a transferência de cargas elétricas entre Ana e o carro.

É possível que você já tenha vivenciado a situação ocorrida com Ana, ao tocar um objeto de metal, como a porta do carro e uma torneira, ou uma pessoa. Para compreendermos porque levamos choque ao tocar algo, precisamos conhecer um pouco mais sobre as cargas elétricas e entender os fenômenos decorrentes delas.

Cargas elétricas

Os diferentes materiais que compõem um objeto, bem como os organismos, são compostos por átomos^✚, os quais são constituídos por prótons, nêutrons e elétrons.

Glossário

Analise a seguir a estrutura de um átomo.

Fonte de pesquisa: TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física moderna. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001. p. 117.

O núcleo do átomo é formado por prótons, os quais têm carga elétrica positiva, e por nêutrons, que são eletricamente neutros.

Ao redor do núcleo, em uma parte do átomo chamada eletrosfera, encontram-se os elétrons, os quais têm carga elétrica negativa.

Em seu estado natural, os átomos são eletricamente neutros, ou seja, têm a mesma quantidade de prótons e de elétrons. Em algumas situações, os átomos de um corpo podem ceder ou receber elétrons, ficando eletrizados.

Por exemplo, quando um corpo cede elétrons, a quantidade de prótons torna-se maior do que a de elétrons e ele fica eletricamente positivo. Quando um corpo recebe elétrons, sua quantidade de elétrons torna-se maior do que a de prótons, e, nesse caso, o corpo fica eletricamente negativo.

No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade da carga elétrica é o coulomb $\left(\text{C}\right)$, nome dado em homenagem a Charles Augustin Coulomb (1736-1806), cientista francês que desenvolveu importantes estudos e experimentos em eletrostática.

As cargas elétricas têm a propriedade de se atraírem ou de se repelirem. Cargas opostas atraem-se e cargas iguais repelem-se. Essa propriedade é chamada interação elétrica ou força elétrica. Analise a seguir.

Fonte de pesquisa: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 408.

Como estudamos, os processos nos quais os átomos de um corpo podem receber ou ceder elétrons são chamados eletrização. Nesses processos, nenhum elétron é criado ou destruído, pois a carga elétrica é conservada. Os elétrons são transferidos de um corpo para outro.

A eletrização pode ocorrer de três formas diferentes: por atrito, contato ou indução. Vamos estudar cada uma delas a seguir.

Eletrização por atrito

Esse tipo de eletrização ocorre quando dois corpos de materiais diferentes são atritados e os elétrons são transferidos de um corpo para o outro, de maneira que os corpos envolvidos fiquem eletrizados com cargas opostas.

Nesse caso, o corpo que cede elétrons se torna eletricamente positivo, e o que recebe elétrons se torna eletricamente negativo.

Eletrização por contato

Esse tipo de eletrização ocorre entre corpos condutores de eletricidade. Assim, quando um corpo eletrizado é colocado em contato com um corpo neutro ou eletrizado, ocorre a transferência de elétrons de um corpo para o outro por meio do contato entre eles.

Eletrização por indução

A eletrização por indução baseia-se no princípio de atração e de repulsão das cargas elétricas. Analise a seguir.

1. Esfera metálica neutra sobre o solo.

2. Quando aproximamos dessa esfera uma barra carregada negativamente, os elétrons da esfera são repelidos e acumulam-se na parte oposta.

3. Se colocarmos um condutor conectado à esfera e ao solo, as cargas negativas deslocam-se para o solo (seta preta) por meio da eletrização por contato, sendo, então, retiradas da esfera.

4. Após retirar o condutor da esfera e afastar a barra, a esfera fica carregada positivamente. Note que, nesse processo, a barra não tocou a esfera.

Fonte de pesquisa: TREFIL, James; HAZEN, Robert M. Física viva: uma introdução à física conceitual. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 2. p. 49.

Na eletrização por indução, o corpo eletrizado é chamado indutor, e o corpo a ser eletrizado, induzido. Quando um corpo indutor é aproximado de um corpo induzido, ocorre a atração ou a repulsão das cargas elétricas desse corpo. Assim, como você pode observar na representação desse tipo de eletrização, a aproximação da barra carregada negativamente (indutor) da esfera metálica neutra (induzido) resultou na repulsão dos elétrons da esfera para a parte oposta desse objeto.

Quando o corpo induzido é conectado ao solo, ocorre a transferência de elétrons entre eles.

Materiais condutores elétricos e materiais isolantes

Analise a imagem a seguir.

Questão 6. Em sua opinião, qual é a função dos fios elétricos?

Resposta: Espera-se que os alunos respondam que os fios elétricos são essenciais para o funcionamento de um aparelho elétrico, por exemplo.

Questão 7. Em sua opinião, por que a parte interna dos fios elétricos é feita de cobre e a parte externa é feita de plástico?

Resposta nas orientações ao professor.

Os materiais que compõem objetos, como os fios elétricos, podem ser classificados como condutores elétricos ou isolantes, dependendo da facilidade com que as cargas elétricas se movem no interior desses materiais. Por exemplo, a parte interna dos fios e cabos elétricos geralmente é feita de cobre, um material condutor elétrico, e é revestida com material isolante, como o plástico, para evitar riscos de choques elétricos e curtos-circuitos^✚.

Glossário

O comportamento desses materiais deve-se à sua estrutura atômica, na qual os elétrons se mantêm ligados ao núcleo pela interação elétrica. Por exemplo, nos materiais isolantes, os elétrons encontram-se ligados mais fortemente aos núcleos dos átomos e, consequentemente, não podem se mover livremente pela estrutura do material. São exemplos de materiais isolantes o plástico, o vidro, a borracha e a porcelana. Em materiais condutores, alguns elétrons estão mais afastados do núcleo e ficam praticamente livres para se mover pela estrutura do material. Além do cobre, metais como ouro $\left(\text{Au}\right)$ e prata $\left(\text{Ag}\right)$ são exemplos de materiais condutores elétricos.

Atividades

Faça as atividades no caderno.

1. Explique como ocorrem as três formas de eletrização: por atrito, por contato e por indução.

Resposta nas orientações ao professor.

2. Um colega afirma que, quando um objeto está neutro, significa que ele não tem cargas elétricas. Escreva argumentos que contraponham essa afirmação.

Resposta: Os alunos podem destacar em seus argumentos que um corpo neutro tem a mesma quantidade de cargas elétricas, negativas e positivas, ou seja, a mesma quantidade de elétrons e prótons.

3. Quando uma pessoa penteia os cabelos com um pente de plástico, ocorre um atrito entre esse objeto e os cabelos, que cedem elétrons para o pente. Sabendo disso, o pente ficará carregado positivamente ou negativamente? E os cabelos? Justifique sua resposta.

Resposta: Ao receber elétrons dos cabelos, o pente ficará carregado negativamente, pois terá cargas negativas em excesso. Como o cabelo cedeu elétrons, ocorre redução das cargas negativas, portanto ele ficará carregado positivamente.

4. Escreva as frases a seguir no caderno substituindo o ▲ pela palavra correta entre parênteses.

a) As cargas elétricas têm a propriedade de se atraírem ou se repelirem. Cargas ▲ (opostas/iguais) atraem-se, e cargas ▲ (opostas/iguais) repelem-se. Essa propriedade é chamada interação elétrica.

Resposta: opostas; iguais.

b) Nos materiais ▲ (condutores/isolantes), os elétrons encontram-se ligados mais fortemente aos núcleos dos átomos, enquanto nos materiais ▲ (condutores/ isolantes), os elétrons estão mais afastados do núcleo.

Resposta: isolantes; condutores.

c) Quando um corpo cede elétrons, a quantidade de prótons torna-se ▲ (menor/maior) do que a de elétrons, deixando-o eletricamente positivo. Quando um corpo recebe elétrons, sua quantidade de elétrons torna-se ▲ (maior/menor) do que a de prótons, deixando-o, nesse caso, eletricamente negativo.

Resposta: maior; menor.

5. Considere os corpos eletrizados 1, 2 e 3 a seguir, com suas respectivas interações eletrostáticas. Em seguida, julgue os itens e identifique a alternativa correta.

Representação das interações eletrostáticas entre os corpos 1 e 2 (imagem A) e os corpos 1 e 3 (imagem B). As setas pretas indicam a atração e a repulsão dos corpos.

Fonte de pesquisa: YOUNG, Hugh D.; FREEDMAN, Roger A. Física III: eletromagnetismo. Tradução: Daniel Vieira e Lucas Pilar. 14. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2015. p. 6.

I ) Se o corpo 2 for colocado próximo ao corpo 3, haverá atração, pois ambos apresentam cargas de sinais opostos.

II ) Entre os corpos 1 e 2 há atração, portanto eles têm cargas de sinais opostos.

III ) Entre os corpos 1 e 3 há repulsão, portanto eles têm cargas de sinais iguais.

IV ) Se o corpo 2 for colocado próximo ao corpo 3, haverá repulsão, pois ambos apresentam cargas de sinais iguais.

a) Somente os itens II e III estão corretos.

c) Somente os itens I e IV estão corretos.

b) Somente os itens I, II e III estão corretos.

d) Somente os itens II, III e IV estão corretos.

Resposta: Alternativa b.

6. O para-raios é um equipamento constituído por uma haste metálica conectada ao solo. Essa haste é instalada no ponto mais alto de construções ou torres de transmissão. Sua utilização é de extrema importância para a segurança das pessoas e para a preservação de construções.

a) Com base nas formas de eletrização, explique o objetivo de o para-raios ter uma haste metálica conectada ao solo.

Resposta: O objetivo é direcionar as descargas elétricas dos raios para o solo, diminuindo ou eliminando os danos causados por elas.

Eletrodinâmica

Analise os equipamentos elétricos a seguir.

Questão 8. Em sua opinião, de onde provém a energia elétrica necessária para o funcionamento desses equipamentos?

Resposta: A energia elétrica é proveniente de uma usina elétrica, que pode ser hidrelétrica, termelétrica, parque eólico ou usina termonuclear, por exemplo.

Questão 9. Em sua opinião, de que maneira essa energia chega às nossas residências e aos estabelecimentos comerciais, industriais e hospitalares?

Resposta: A energia elétrica chega até nossas residências e estabelecimentos comerciais, industriais e hospitalares por meio da rede de distribuição de energia elétrica.

Questão 10. Em sua opinião, como podemos relacionar o funcionamento desses equipamentos às cargas elétricas?

Resposta: Espera-se que os alunos respondam que o funcionamento desses equipamentos elétricos está relacionado ao movimento ordenado das cargas elétricas.

Ao responder à questão 10, você provavelmente citou uma característica da eletrodinâmica, que é o ramo da eletricidade que estuda as cargas elétricas em movimento e as implicações desse movimento.

No funcionamento de um equipamento elétrico, como os televisores, ocorre o deslocamento ordenado de elétrons pelos fios condutores e pelos componentes eletrônicos dos aparelhos. Durante seu movimento, os elétrons interagem com os átomos e as moléculas que compõem o condutor, produzindo diferentes resultados. Todas essas questões são estudadas pela eletrodinâmica.

Para prosseguir com o estudo sobre a eletrodinâmica, precisamos conhecer alguns conceitos muito comuns nas situações que envolvem cargas elétricas em movimento, como circuito elétrico e corrente elétrica.

Circuito e corrente elétrica

Como estudamos, para que um dispositivo elétrico funcione, um fluxo de cargas elétricas deve passar em seus condutores de forma organizada. Para isso, esse dispositivo deve fazer parte de um circuito elétrico.

Um circuito elétrico é composto basicamente de um gerador elétrico, de fios condutores e de um ou mais dispositivos elétricos a serem acionados. As pilhas ou os geradores conectados à rede elétrica fornecem energia aos equipamentos elétricos, por isso são conhecidos como geradores elétricos.

Muitos circuitos elétricos têm um interruptor que permite ao usuário ligar ou desligar o dispositivo elétrico. Por exemplo, uma lâmpada e a rede elétrica à qual ela está ligada formam um circuito elétrico, que pode estar aberto ou fechado.

Analise o exemplo a seguir.

Representação de um circuito elétrico aberto (imagem A) e fechado (imagem B).

Fonte de pesquisa: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 442, 444.

A. Quando o circuito elétrico se encontra aberto, não há fluxo de cargas elétricas de forma organizada nos condutores e no dispositivo elétrico, no caso, a lâmpada, e, por isso, ele não funciona. Note que o interruptor está aberto e a lâmpada se encontra apagada.

B. Quando o circuito elétrico se encontra fechado, as cargas elétricas movimentam-se de forma organizada nos condutores e no dispositivo elétrico, e este funciona. Note que o interruptor está fechado e a lâmpada se encontra acesa.

O fluxo ordenado de cargas elétricas por um condutor em um circuito elétrico é chamado corrente elétrica.

A unidade de medida utilizada para medir a intensidade da corrente elétrica é o ampere (A). Esse nome foi dado em homenagem ao físico francês André-Marie Ampère (1775-1836), que fez importantes descobertas e contribuições para o estudo do eletromagnetismo, ramo da Física que relaciona fenômenos elétricos e magnéticos.

Dependendo do dispositivo elétrico de um circuito elétrico, a intensidade de corrente elétrica pode ser maior ou menor. Assim, quanto maior a intensidade de corrente elétrica, mais energia elétrica o dispositivo elétrico consome e mais espessos devem ser os fios condutores.

Em um chuveiro elétrico, por exemplo, a intensidade de corrente elétrica que passa em seus condutores é de cerca de $30\text{A}$. Já em uma lâmpada elétrica de uso residencial, a intensidade de corrente elétrica é de, aproximadamente, $0,15\text{A}$.

Para medir a intensidade da corrente elétrica em um circuito elétrico, é utilizado um instrumento denominado amperímetro. Os aparelhos podem funcionar com diferentes tipos de corrente elétrica: a contínua e a alternada. Observe a seguir.

Na corrente contínua, os elétrons movimentam-se em um condutor sempre no mesmo sentido. É o que ocorre, por exemplo, em circuitos nos quais os geradores elétricos são pilhas ou baterias.

Na corrente alternada, os elétrons movimentam-se alternando o sentido, em um movimento do tipo vaivém. É o que acontece quando ligamos um aparelho conectado a uma tomada, pois a energia elétrica que chega à nossa residência e a outros estabelecimentos é do tipo alternada.

Ao passar por um condutor, a corrente elétrica produz alguns efeitos, como os mostrados a seguir.

Uma de suas aplicações é quando ocorre a fibrilação do coração, ou seja, quando esse órgão bate de forma desordenada ou quando cessam os batimentos, sendo necessário estimulá-lo artificialmente por meio de corrente elétrica produzida por um desfibrilador^✚.

Glossário

Atividades

Faça as atividades no caderno.

1. Explique o que é eletrodinâmica e a sua diferença em relação à eletrostática.

Resposta: A eletrodinâmica é uma área de estudo da Física que foca na compreensão dos movimentos das cargas elétricas e de seus efeitos. Já a eletrostática é o estudo das cargas em repouso e de seus efeitos.

2. Qual é a diferença entre a corrente contínua e a corrente alternada? Cite exemplos de equipamentos do seu cotidiano que funcionam com esses tipos de correntes elétricas.

Resposta nas orientações ao professor.

3. Reescreva as frases a seguir no caderno, substituindo o ▲ pela palavra adequada.

gerador elétrico

corrente elétrica

dispositivo elétrico

amperímetro

a) A intensidade da corrente elétrica pode ser maior ou menor dependendo do ▲.

Resposta: dispositivo elétrico.

b) ▲, fios condutores e dispositivo elétrico compõem um circuito elétrico.

Resposta: Gerador elétrico.

c) A ▲ é o fluxo ordenado de cargas elétricas por um condutor em um circuito elétrico.

Resposta: corrente elétrica.

d) O ▲ é um instrumento utilizado para medir a intensidade da corrente elétrica em um circuito elétrico.

Resposta: amperímetro.

4. Em relação aos efeitos produzidos pela passagem da corrente elétrica por um condutor, identifique a alternativa correta.

a) O efeito magnético está relacionado ao uso de aparelhos desfibriladores em casos de batimento desordenado do coração.

b) As baterias e pilhas são aplicações relacionadas ao efeito provocado pela passagem de uma corrente elétrica por um condutor, produzindo um campo magnético.

c) O efeito térmico ocorre quando uma corrente elétrica passa por um condutor e ele se aquece, como no ferro de passar roupas.

d) O efeito químico está relacionado à passagem de uma corrente elétrica que atravessa o corpo humano, provocando um choque elétrico.

Resposta: Alternativa c.

5. Sobre as lâmpadas incandescentes, responda às questões a seguir no caderno.

a) As lâmpadas incandescentes transformam em luz apenas uma pequena porcentagem da energia elétrica. O que acontece com o restante da energia elétrica transformada pela lâmpada? Isso se relaciona a qual efeito da passagem de corrente?

Resposta nas orientações ao professor.

b) Esse tipo de lâmpada geralmente tem um filamento de tungstênio $\left(\mathrm{W}\right)$, o qual emite luz quando percorrido por corrente elétrica. Após um tempo de uso, esse filamento pode romper-se e podemos considerar que a lâmpada está queimada. Nesse caso, o circuito elétrico está aberto ou fechado? Justifique a sua resposta.

Resposta nas orientações ao professor.

6. Analise o circuito elétrico representado a seguir e, de acordo com os seus conhecimentos sobre o assunto, identifique a alternativa correta.

a) O circuito elétrico está fechado. Por isso, a corrente elétrica flui nele.

b) A pilha utilizada no circuito elétrico é um exemplo de gerador de corrente alternada.

c) O circuito elétrico está aberto. Ao fechá-lo, uma corrente elétrica passará a fluir nele.

d) A pilha usada no circuito elétrico é o dispositivo elétrico, e a lâmpada, o gerador elétrico.

Resposta: Alternativa c.

7. Verifique a foto a seguir e responda às questões propostas.

a) Explique o que é necessário para que os equipamentos elétricos mostrados na fotografia funcionem.

Resposta nas orientações ao professor.

b) Desenhe em seu caderno um circuito elétrico que contém um refrigerador ligado.

Resposta nas orientações ao professor.

Magnetismo

É comum que, ao viajar para algum lugar, as pessoas tragam objetos de lembranças, como os colocados na porta da geladeira, representados na imagem a seguir. Observe.

Questão 11. Em sua opinião, de que maneira esses objetos ficam aderidos à porta da geladeira, sem escorregar e cair?

Resposta nas orientações ao professor.

Questão 12. Em sua opinião, por que não é comum as pessoas colocarem esses objetos em móveis de madeira, como no armário de uma cozinha?

Resposta pessoal. Espera-se que os alunos respondam que os ímãs não atraem materiais como a madeira.

A situação apresentada na imagem está relacionada ao magnetismo. Diversos fenômenos relacionados ao magnetismo ocorrem em nosso cotidiano, mas nem sempre nos damos conta disso.

A maioria dos equipamentos elétricos que utilizamos, como computadores, alto-falantes e motores elétricos, depende do magnetismo para funcionar.

O interesse pelo estudo do magnetismo não é recente. Civilizações antigas já conheciam fenômenos que ocorriam com certas rochas que, quando aproximadas de determinados corpos, tinham a propriedade de atraí-los.

Na região da Magnésia, na Ásia Menor, existe um minério de ferro que atrai alguns materiais. Esse minério ficou conhecido como magnetita $\left({\text{Fe}}_3{\text{O}}_4\right)$.

Muitos estudiosos contribuíram para a compreensão dos fenômenos magnéticos. Em 1259, o estudioso francês Petrus Peregrinus (1220-1270) descreveu em sua obra, Epistola de Magnete, algumas propriedades da magnetita. Influenciado por essa obra, em 1600, o físico e médico inglês William Gilbert (1544-1603) publicou a obra De Magnete, na qual sistematizou e registrou suas descobertas relacionadas ao fenômeno do magnetismo.

Neste tópico, vamos conhecer alguns conceitos relacionados ao magnetismo.

Ímãs

Analise as imagens a seguir.

Professor, professora: As legendas das imagens não foram inseridas para não comprometer a realização das atividades.

Questão 13. O que aconteceu com a espuma na imagem A? Em sua opinião, por que isso aconteceu?

Resposta nas orientações ao professor.

Questão 14. Se na situação A, a espuma fosse substituída por um pedaço de madeira, em sua opinião, o que aconteceria?

Resposta: Espera-se que os alunos mencionem que, dependendo da espessura da madeira, ela não impediria um ímã de interagir com o outro e que ela não se deformaria tanto quanto a espuma.

Questão 15. O que aconteceu com a espuma na imagem B? Em sua opinião, por que isso aconteceu?

Resposta: Espera-se que os alunos percebam que, na imagem B, os ímãs se repeliram, pressionando a espuma contra o suporte de madeira.

Os ímãs são materiais com propriedades magnéticas, podendo exercer uma força de atração ou de repulsão em outros ímãs e objetos feitos de determinados metais. Alguns materiais têm, naturalmente, propriedades magnéticas, como a magnetita. No entanto, existem materiais que podem adquirir as propriedades magnéticas por meio de um processo conhecido por imantação.

Alguns materiais apresentam maior facilidade para que sejam imantados, como o ferro $\left(\text{Fe}\right)$, o níquel $\left(\text{Ni}\right)$, o cobalto $\left(\text{Co}\right)$ e algumas ligas metálicas que contêm esses materiais. Quando um material é imantado e adquire propriedades magnéticas permanentemente, ele é considerado um ímã artificial.

Podemos caracterizar os ímãs pela existência de dois polos magnéticos opostos, que, convencionalmente, são chamados polo norte e polo sul.

Se quebrarmos um ímã ao meio, não isolaremos um polo do outro, ou seja, não criaremos dois ímãs com apenas um polo cada. Nesse caso, formaríamos dois ímãs menores, os quais também têm os dois polos – o norte e o sul. Se os dividirmos novamente, teremos, então, quatro ímãs, e assim sucessivamente.

Analise a seguir.

Professor, professora: Ao abordar os polos magnéticos, comente com os alunos que, na natureza, não há monopolos magnéticos. Todo material magnético é constituído de dois polos magnéticos: o norte (N) e o sul (S).

Fonte de pesquisa: PERUZZO, Jucimar. Experimentos de física básica: eletromagnetismo, física moderna & ciências espaciais. São Paulo: Livraria da Física, 2013. p. 157.

Em seu trabalho com ímãs, William Gilbert notou que eles interagem entre si de acordo com seus polos magnéticos. Verifique a seguir.

Representação da atração (imagem A) e da repulsão (imagem B) de ímãs.

Fonte de pesquisa: PERUZZO, Jucimar. Experimentos de física básica: eletromagnetismo, física moderna & ciências espaciais. São Paulo: Livraria da Física, 2013. p. 156.

A. Quando tentamos aproximar dois ímãs por polos opostos, eles se atraem.

B. Quando tentamos aproximá-los por polos iguais, seja pelos polos norte, seja pelos polos sul, eles se repelem.

Campo magnético

João realizou um experimento com ímãs em barra e limalha de ferro^✚. Na primeira situação, ele colocou sobre uma mesa dois ímãs em barra a aproximadamente $3\text{cm}$ de distância um do outro. Em seguida, espalhou limalha de ferro no espaço entre eles. Na segunda situação, João virou um dos ímãs e novamente espalhou limalha de ferro entre eles. Verifique a seguir.

Limalha de ferro:

partículas de ferro formadas por meio da fricção de uma lima.^↰

Experimento realizado por João.

Questão 16. Descreva o formato da disposição da limalha de ferro nas situações 1 e 2.

Resposta: Na situação 1, as limalhas estão mais concentradas entre os dois ímãs em decorrência da atração de polos diferentes. Já na situação 2, as limalhas estão mais concentradas nos polos dos ímãs e menos concentradas entre eles em razão da repulsão entre os polos iguais.

Ao analisar as duas situações do experimento, você deve ter percebido que os ímãs influenciaram a distribuição da limalha de ferro sobre a mesa. Esse fenômeno é explicado pelos efeitos criados pelos ímãs no espaço ao seu redor. O espaço que sofre a influência de um ímã é chamado campo magnético.

Podemos perceber o formato do campo magnético avaliando a organização da limalha de ferro, que se posiciona de acordo com as linhas do campo magnético. Na representação do campo magnético, podemos notar o padrão de linhas em torno de um ímã de barra.

Note que as linhas do campo magnético não se cruzam e que o sentido dessas linhas é do polo norte para o polo sul do ímã.

Fonte de pesquisa: PERUZZO, Jucimar. Experimentos de física básica: eletromagnetismo, física moderna & ciências espaciais. São Paulo: Livraria da Física, 2013. p. 152.

Magnetismo terrestre

Leia o trecho de reportagem a seguir.

Questão 17. De acordo com o trecho de reportagem, qual é a importância do campo magnético para os peixes, como os tubarões?

Resposta: O objetivo desta atividade é incentivar a interpretação do trecho de reportagem. Espera-se que os alunos respondam que os peixes orientam a navegação sentindo o campo magnético.

Questão 18. O que você sabe sobre o campo magnético da Terra?

Resposta: O objetivo desta atividade é levantar os conhecimentos prévios dos alunos a respeito do campo magnético da Terra.

Quando iniciamos o estudo do magnetismo, falamos que seus fenômenos estão presentes em nosso cotidiano, de maneira que, muitas vezes, nem nos damos conta disso. Essa informação pode ser exemplificada com um fato muito curioso: a Terra tem um campo magnético.

William Gilbert, em sua obra De Magnete, foi o primeiro a afirmar que a Terra tem campo magnético próprio, comportando-se como um imenso ímã. Além disso, ele relacionou o princípio do funcionamento das bússolas ao magnetismo terrestre. De maneira semelhante a um ímã, a Terra tem um polo norte magnético e um polo sul magnético. Esses polos não coincidem com os polos geográficos da Terra, mas se encontram próximo a eles.

Vamos conhecer um pouco mais sobre as bússolas e o magnetismo terrestre.

A bússola é um instrumento desenvolvido pelos chineses por volta de 1040 d.C., que, posteriormente, foi muito utilizado para orientação marítima. No entanto, a literatura chinesa antiga relata que, muito antes dessa época, os chineses já conheciam algumas propriedades da magnetita.

Adivinhadores da sorte chineses confeccionavam uma espécie de tábua na qual faziam adivinhações. No centro dela, colocavam uma colher feita de magnetita.

A posição da colher na bússola chinesa primitiva auxiliava em decisões do governo e revelava profecias. Os chineses acreditavam que a colher tinha a propriedade "mágica" de sempre apontar o cabo na mesma direção.

Ao longo da história, a colher da bússola foi sendo lapidada até adquirir a forma de uma agulha. Os chineses perceberam que se essa agulha fosse colocada sobre a água, ela se orientava com maior facilidade. Posteriormente, substituíram as agulhas de magnetita pelas magnetizadas.

A bússola utilizada atualmente é um instrumento composto de uma agulha magnetizada, que gira livremente sobre um eixo central, influenciada por um campo magnético externo.

No fundo da bússola, são indicados os pontos cardeais, usados como referência na observação das direções.

Leia e perceba a seguir o funcionamento de uma bússola.

O funcionamento da bússola pode ser explicado pelo princípio da atração entre polos magnéticos. A agulha imantada atua como um pequeno ímã, girando livremente em um eixo situado no centro da bússola.

Essa agulha é orientada pelo campo magnético da Terra, alinhando-se à direção norte-sul magnética, não importando a direção em que a bússola está.

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: eletromagnetismo. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 3. p. 344.

Eletromagnetismo

Questão 19. Você já ouviu falar em eletromagnetismo? Em caso afirmativo, conte para os seus colegas o que sabe sobre esse assunto.

Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levantar os conhecimentos prévios dos alunos a respeito do eletromagnetismo e incentivá-los a compartilhar suas vivências com os colegas.

O fenômeno do eletromagnetismo permitiu a criação de diversos equipamentos presentes em nosso dia a dia, como motores elétricos, campainhas e travas elétricas de carros e de portões.

Em 1820, o físico e professor dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) observou que, ao conectar as extremidades de um fio condutor aos polos de uma pilha, a agulha imantada de uma bússola próxima desse fio se movia, estabilizando em uma direção diferente da que estava.

Também percebeu que, ao abrir o circuito elétrico, a agulha retornava à orientação anterior e, ao inverter os polos da pilha, ela se movia novamente, porém estabilizando em uma direção oposta à da primeira situação. Com isso, ele concluiu que a agulha da bússola era influenciada pela corrente elétrica contínua que se estabelece nos circuitos.

De acordo com seu experimento, Oersted percebeu que a corrente elétrica cria um campo magnético ao redor do fio ao percorrê-lo. Com essa descoberta, podemos concluir que cargas elétricas em movimento ordenado produzem campos magnéticos.

A descoberta da relação entre a corrente elétrica e o campo magnético deu início ao eletromagnetismo, um ramo da Física que relaciona fenômenos decorrentes da interação entre o magnetismo e a eletricidade.

O campo magnético gerado por uma corrente elétrica em um fio condutor também pode ser representado por linhas de campo magnético, assim como no caso do campo magnético em torno de um ímã.

Verifique a imagem a seguir.

Fonte de pesquisa: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 458.

O sentido indicado nas linhas do campo magnético é dado de acordo com o sentido da corrente elétrica estabelecida no fio condutor. Se o sentido da corrente for invertido, inverte-se também o sentido do campo ao seu redor.

Uma importante aplicação do eletromagnetismo é a possibilidade de imantar objetos. Se enrolarmos um fio condutor em torno de um corpo ferromagnético^✚ e fizermos uma corrente elétrica percorrer o fio, o campo magnético produzido imantará esse corpo, o qual passará a se comportar como um ímã. Esse equipamento é conhecido como eletroímã.

Ferromagnético:

refere-se ao material que tem a capacidade de reagir a um campo magnético, originando um ímã permanente.^↰

Diferentemente de um ímã permanente, o eletroímã perde suas propriedades magnéticas quando a corrente elétrica no fio é interrompida.

Os eletroímãs são utilizados em vários equipamentos, como nos guindastes de ferro-velho e nas fechaduras de portas.

Atividades

Faça as atividades no caderno.

1. Desenhe os ímãs a seguir no caderno e, em seguida, represente com setas a atração ou a repulsão entre eles.

Professor, professora: As legendas das imagens não foram inseridas para não comprometer a realização da atividade.

Fonte de pesquisa: YOUNG, Hugh D.; FREEDMAN, Roger A. Física III: eletromagnetismo. Tradução: Daniel Vieira e Lucas Pilar. 14. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2015. p. 6.

Resposta: A: atração; B: repulsão; C: atração; D: repulsão.

2. Um aluno quebra um ímã exatamente ao meio a fim de obter em uma metade dele apenas o polo norte e, na outra metade, apenas o polo sul. Justifique se isso é possível ou não.

Resposta: Espera-se que os alunos respondam que não, pois a quebra de um ímã pela metade resulta em dois novos ímãs, fazendo cada um dos ímãs ter os dois polos magnéticos, norte e sul.

3. Verifique a imagem a seguir.

Fonte de pesquisa: PERUZZO, Jucimar. Experimentos de física básica: eletromagnetismo, física moderna & ciências espaciais. São Paulo: Livraria da Física, 2013. p. 174.

a) Para que serve a pilha nesse equipamento?

Resposta: A pilha é usada para criar uma corrente elétrica no fio, necessária para gerar o campo magnético.

b) Cite três objetos que podem ser atraídos por esse dispositivo e justifique sua resposta.

Resposta pessoal. Espera-se que os alunos citem materiais que tenham ferro, níquel ou cobalto em sua composição, como grampos, clipes, pregos, moedas, entre outros objetos.

c) Explique o funcionamento desse dispositivo e suas aplicações.

Resposta nas orientações ao professor.

4. Com base na imagem a seguir e em seus conhecimentos sobre o assunto, julgue as afirmativas como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas em seu caderno.

Fonte de pesquisa: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 462.

a) O Polo Sul geográfico é indicado, aproximadamente, pelo polo norte magnético.

Resposta: Verdadeira.

b) O polo norte magnético é o próprio Polo Norte geográfico.

Resposta: Falsa. O polo norte magnético está localizado próximo ao Polo Sul geográfico.

c) O polo sul magnético é o próprio Polo Norte geográfico.

Resposta: Falsa. O polo sul magnético está localizado próximo ao Polo Norte geográfico.

d) O Polo Norte geográfico é indicado, aproximadamente, pelo polo sul magnético.

Resposta: Verdadeira.

5. Descreva em seu caderno como funciona uma bússola. Em seguida, explique como o funcionamento da bússola possibilitou ao físico Hans Christian Oersted que identificasse que a passagem de corrente elétrica por um fio condutor gera, em torno dele, um campo magnético.

Resposta nas orientações ao professor.

6. Quando uma bússola é colocada próximo de um ímã, altera-se a direção de sua agulha por causa da interação com o campo magnético dele. Considere o ponto O próximo de um ímã. Caso uma pessoa coloque uma bússola nesse ponto, desenhe em seu caderno a nova orientação que a agulha da bússola terá.

Fonte de pesquisa: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 455.

Resposta nas orientações ao professor.