1 UNIVERSIDADE DO PORTO FACULDADE DE CIÊNCIAS MESTRADO EM ENSINO DE FÍSICA E DE QUÍMICA NO 3º CICLO DO ENSINO BÁSICO E NO ENSINO SECUNDÁRIO Mini bobina de Tesla: uma proposta didática de atividade experimental para o Ensino Secundário RELATÓRIO DE ESTÁGIO – COMPONENTE DE FÍSICA Orientador: Professor Doutor Paulo Simeão de Oliveira Ferreira de Carvalho Aline Patriota Pereira UP201801652 2020
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UNIVERSIDADE DO PORTO
FACULDADE DE CIÊNCIAS
MESTRADO EM ENSINO DE FÍSICA E DE QUÍMICA NO 3º CICLO DO ENSINO BÁSICO E
NO ENSINO SECUNDÁRIO
Mini bobina de Tesla: uma proposta didática de atividade experimental para o Ensino
Secundário
RELATÓRIO DE ESTÁGIO – COMPONENTE DE FÍSICA
Orientador: Professor Doutor Paulo Simeão de Oliveira Ferreira de Carvalho
Aline Patriota Pereira
UP201801652
2020
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“Se você quiser descobrir os segredos do Universo, pense em termos de energia, frequência e
vibração.”
Nikola Tesla
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Resumo
Trazendo uma proposta de atividade experimental para o ensino secundário, especificamente para o
10º ano, o trabalho apresenta um projeto didático para a construção de uma mini bobina de Tesla e
seu uso demonstrativo para transmitir energia elétrica sem fios, acendendo uma lâmpada fluorescente
e na demonstração da gaiola de Faraday. Objetiva indicar uma forma de introduzir conceitos de
Eletricidade e Eletromagnetismo de forma qualitativa para estimular a curiosidade e o instinto
científico nos alunos.
Palavras-chave: Mini bobina de Tesla. Eletromagnetismo. Ensino secundário.
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Índice
Noções básicas de eletromagnetismo
Eletricidade
Magnetismo
Eletromagnetismo
Bobina de Tesla
Mini bobina de Tesla
Enquadramento didático-curricular
Proposta de prática em contexto escolar
Construção da mini bobina de Tesla
Roteiro da atividade
Conclusões
Referências bibliográficas
Apêndices
05
05
06
07
09
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14
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21
22
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Noções básicas de eletromagnetismo
Os conceitos físicos que explicam o funcionamento da mini bobina de Tesla fazem parte do
ensino do Eletromagnetismo, área que estuda os fenômenos associados aos campos elétricos e
magnéticos. Ao estudar Eletricidade, Magnetismo e Eletromagnetismo, a partir dos autores Halliday,
Resnick. (2008) e Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. (2005).
A carga elétrica (q) é uma propriedade intrínseca das partículas fundamentais. Geralmente um
átomo possui a mesma quantidade de cargas positivas e negativas, por isso há um equilíbrio e a carga
total é zero. Quando um átomo ganha ou perde um eletrão, a quantidade de tipos de cargas passa a
ser diferente, o átomo que inicialmente era eletricamente neutro, passa a ter uma carga elétrica
associada, essa carga é quantizada pela quantidade (n) de eletrões alterada multiplicada pela unidade
fundamental de carga elétrica (e):
𝑒 = 1,602.10−19𝐶 (1)
𝑞 = 𝑛. 𝑒 (2)
Chamamos de condutores os materiais em que as cargas elétricas se movem com facilidade e
não-condutores (isoladores), os materiais nos quais as cargas não se movem com facilidade. E
semicondutores, os materiais com condutividade intermédia entre os condutores e os isoladores. Já
os supercondutores são materiais onde as cargas elétricas se movem sem encontrar nenhuma
resistência.
Campo elétrico (→𝐸
) é um campo vetorial, em que há uma distribuição de vetores para cada
ponto em torno do objeto eletricamente carregado. O campo elétrico de uma partícula (átomo,
molécula, …) eletricamente carregada é "sentido” por outra partícula, afetando a partícula sem haver
um contato direto. É definido pela força eletrostática (→𝐹
) que age sobre a carga (q):
→𝐸
=→𝐹
𝑞
(3)
Corrente elétrica (i) é a taxa de variação com o tempo da carga (q) que passa por um ponto ou
região do espaço. Por convenção, o sentido da corrente elétrica é dado pelo sentido que as cargas
positivas se moveriam:
6
𝑖 =𝑑𝑞
𝑑𝑡
(4)
A corrente elétrica pode ser de dois tipos: corrente contínua (DC), que permanece constante
ao longo do tempo; ou corrente alternada (AC), em que a corrente elétrica varia de sentido no tempo.
Há alguns métodos de transformar uma corrente contínua em uma alternada e vice-versa. A corrente
alternada foi melhorada e inovada pelo Nikola Tesla, e é o tipo de corrente utilizada na bobina que é
alvo de estudo neste relatório.
Quando aplicamos uma diferença de potencial (V) entre dois pontos de um condutor e
medimos a corrente elétrica (i) resultante, o quociente dos valores dessas grandezas físicas permite
obter o valor da resistência elétrica (R) do condutor:
𝑅 =𝑉
𝑖
(5)
Um condutor introduz certa resistência no circuito é chamado de resistor. Numa certa
diferença de potencial, quanto maior a resistência menor a corrente elétrica.
Para haver um movimento de cargas num circuito elétrico é necessária uma diferença de
potencial entre as extremidades do condutor, para isso ser constante é utilizada uma fonte de tensão,
responsável por produzir uma força eletromotriz. A força eletromotriz (𝜀) é dada pelo trabalho (W)
realizado pela fonte para transportar uma carga elétrica (q) de um terminal ao outro:
𝜀 =𝑑𝑊
𝑑𝑞
(6)
Os campos magnéticos (𝐵) podem ser produzidos utilizando partículas eletricamente
carregadas em movimento. Por exemplo, pode-se produzir um eletroíman, construindo um
enrolamento de fio condutor em torno de um prego ou cilindro magnetizável e fazendo passar corrente
nesse fio. Ou pode-se produzir um íman permanente com o campo magnético intrínsico das partículas
elementares. O valor do campo magnético pode ser determinado a partir da força magnética (𝐹𝐵)
exercida sobre uma partícula de prova carregada eletricamente (q) e em movimento (v):
B =𝐹𝐵
ȁ𝑞ȁ𝑣
(7)
7
A força magnética que age sobre uma partícula carregada que se move com velocidade na
presença de um campo magnético é sempre perpendicular à velocidade e ao campo magnético. A
unidade do campo magnético no sistema internacional é o tesla (T).
Todos os aparelhos capazes de transformar outras formas de energia em energia elétrica são
classificados como fontes de energia elétrica, ou seja, são geradores de campo elétrico. Para gerar
energia elétrica há duas formas, fazendo variar o campo magnético ou usando a processos onde há
separação de cargas.
No caso de gerar energia elétrica a partir do uso de um campo magnético é necessário que o
campo magnético varie no tempo, assim gera um campo elétrico que agindo sobre os eletrões livres
do circuito produz uma corrente elétrica. Sendo explicado de acordo com a lei de Faraday, onde a
força eletromotriz (𝜀) induzida sobre o circuito é igual a variação do fluxo de campo magnético (𝛷𝐵):
𝜀 = − 𝑑𝛷𝐵
𝑑𝑡
(8)
O fluxo de campo magnético é a quantidade total de campo magnético que atravessa uma
determinada área e é dado por:
𝛷𝐵 = න𝐵→ .
𝑑𝐴ሱሮ
(9)
Também é possível conseguir a variação temporal de um campo magnético quando há um
campo magnético em torno de um fio com corrente e essa corrente é ligada e desligada, produzindo
campos magnéticos que variam no tempo.
No caso de um campo magnético produzido por uma corrente em uma bobina helicoidal
formada por espiras circulares muito próximas, onde o comprimento da bobina é muito maior do que
o diâmetro do fio, o campo magnético no interior da bobina é a soma vetorial dos campos produzidos
pelas espiras. A bobina se comporta magneticamente como um fio retilíneo enquanto as linhas de
campo do campo magnético são círculos quase concêntricos (figura 1).
8
Figura 1: Espiras de uma bobina com as linhas de campo magnético associado.
Fonte: Halliday, Resnick. (2008).
A força eletromotriz total induzida na bobina é dada por:
𝜀 = −𝑁 𝑑𝛷𝐵
𝑑𝑡
(10)
onde N é o número de espiras.
Na prática, para aumentar a força eletromotriz do sistema pode se colocar um número
máximo de espiras possíveis. A corrente induzida em uma espira segue um sentido onde o campo
magnético produzido pela corrente se opões ao campo magnético que induz a corrente, esse
conceito é conhecido como lei de Lenz.
O campo magnético criado pelo condutor percorrido por uma corrente pode ser calculado pela
lei de Biot-Savart. A derivada 𝑑 →𝐵
do campo magnético em um ponto gerado por um elemento de
corrente 𝑖𝑑 →𝑠
em uma distância (r) do ponto é dada pela expressão:
𝑑 →𝐵
=𝜇0
4𝜋
𝑖𝑑 →𝑠
𝑥𝑟^
𝑟2
(11)
O campo eletromagnético é um conceito físico que inclui o campo elétrico e o campo
magnético variando no tempo. As ondas eletromagnéticas são produto da formação do campo
eletromagnético. Maxwell descreveu os fenómenos eletromagnéticos em suas quatro equações,
juntamente com a lei de Faraday.
Lei de Faraday: 𝜀 =𝑑𝛷𝑚
𝑑𝑡 , força de origem eletromagnética que causa movimento nos iões
e nos eletrões livres.
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Equações de Maxwell
James Clerk Maxwell unificou as leis de eletromagnetismo em 4 equações. Apoiado nas
descobertas anteriores, descreve o modo como os campos elétrico e magnético são produzidos por
distribuição de carga e correntes elétricas, mencionadas na tabela 1.
Lei de Gauss para a
eletricidade ∮ →
𝐸. 𝑑 →
𝐴=
𝑞𝑒𝑛𝑣
𝐸0
Relaciona o fluxo elétrico às cargas
elétricas envolvidas
Lei de Gauss para o
magnetismo
∮ →𝐵
. 𝑑 →𝐴
= 0 Relaciona o fluxo magnético às cargas
magnéticas envolvidas
Lei de Faraday ∮ →
𝐸. 𝑑 →
𝑠=
𝑑𝛷𝑠
𝑑𝑡
Relaciona o campo elétrico induzido à
variação do fluxo magnético
Lei de Ampére-Maxwell ∮ →
𝐸. 𝑑 →
𝑠= 𝜇0𝜀0
𝑑𝛷𝑠
𝑑𝑡+ 𝜇0𝑖𝑒𝑛𝑣
Relaciona o campo magnético induzido
à variação do fluxo elétrico à corrente
*supondo que não há materiais dielétricos ou magnéticos.
Tabela 1: Equações de Maxell.
Bobina de Tesla
A bobina de Tesla funciona como um transformador, ou seja, um instrumento que modifica
os níveis de tensão, aumentando, e corrente elétrica, diminuindo, e mantendo a potência quase
constante. Capaz de gerar uma tensão muito alta com grande simplicidade de construção, provocando
descargas elétricas.
Inventada pelo Nikola Tesla, em 1891, com a ideia de distribuir energia elétrica no mundo,
tem posição de destaque na história da eletricidade. Já teve uso em transmissores de rádios primitivos,
dispositivos de eletroterapia, geradores de alta tensão e, atualmente, como demonstração sobre
1. Construir a bobina secundária: furar o rolo perto de cada extremidade, deixar cerca de 10cm do fio do lado de dentro e passando pelo furo enrolar o fio de cobre fino na parte de fora do rolo, com o cuidado para não sobrepor e não ter espaço, até o próximo furo e deixar cerca de 10cm sobrando para dentro do furo.
2. Construir a bobina primária: dar 3 voltas no fio de cobre mais grosso de forma a ficar um pouco mais largo do que a bobina secundária, deixando cerca de 3cm para cada ponta.
3. Lixar as pontas dos fios da bobina, de modo a tirar o esmalte do fio. 4. Encaixar as bobinas nos furos da tampa da caixinha e colar com cola
quente para fixar. 5. Encaixar o interruptor no furo lateral da caixinha. 6. Montar o circuito da mini bobina como mostra na figura acima, soldando
as ligações entre os fios, COM MUITO CUIDADO COM A SOLDA, deixando o interruptor e as bobinas por último.
7. Terminar de montar o circuito ligando ao interruptor e as bobinas, já dentro da caixinha.
8. Testar.
Observações:
Questões:
1- Qual a diferença entre corrente contínua e corrente alternada?