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Obtenção de energia elétrica a partir da energia mecânica

 

16/04/2012

Autor e Coautor(es)
José Ângelo de Faria
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VICOSA - MG COL DE APLICACAO DA UFV - COLUNI

Daniel Rodrigues Ventura, Edson Luis Nunes, Emerich Michel de Sousa, José Higino Dias Filho.

Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino Componente Curricular Tema
Ensino Médio Física Calor, ambiente e usos de energia
Educação de Jovens e Adultos - 2º ciclo Ciências Naturais Visões de mundo
Ensino Médio Física Movimento, variações e conservações
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula
  •   Analisar o efeito da variação do campo magnético sobre um condutor elétrico.
  •   Que o movimento de um ímã no interior de uma bobina faz surgir uma ddp nos terminais da bobina.
  •   Que a variação do fluxo magnético no interior da bobina pode ser obtida mediante movimentos relativos do ímã em relação à bobina, podendo movimentar o ímã ou a bobina.
Duração das atividades
50 minutos (uma aula)
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

Eletromagnetismo: Fluxo magnético, Lei de Faraday, Lei de Lenz.

Estratégias e recursos da aula

          Sugerimos a fim de despertar interesse ao assunto da aula, o(a) professor(a) poderá no início da aula exibir para os alunos, o seguinte filme que se encontra disponível no link abaixo.

 

 

 

 

Atividade I

            Deverá fazer um breve comentário sobre a importância da eletricidade no mundo de hoje, como destacado no início desse filme. Depois, poderá repetir a cena do filme em que o narrador fala do alternador do carro e das usinas hidrelétricas e questionar a turma com a seguinte pergunta. Como é possível transformar energia mecânica em energia elétrica?

          Assim que ouvir algumas respostas voluntárias dos alunos e fazer alguns comentários que julgar pertinentes, deverá revisar a lei de Faraday e a lei de Lenz, a fim de aguçar a teoria do conteúdo a ser explorado. Para tornar a explicação ainda mais interessante, acesse as seguintes animações, link a seguir.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          Peça que respondam novamente a pergunta: Como é possível transformar energia mecânica em energia elétrica?

          Tomando como base as explicações e animações assistidas sobre a lei de Faraday e lei de Lenz, deverão responder que a variação do fluxo magnético no interior da bobina provocou o aparecimento de uma corrente elétrica no fio. Então, através do movimento do ímã, energia mecânica, faz variar o fluxo magnético no interior de uma bobina criando nela uma força eletromotriz induzida; estando o circuito da bobina fechado, como nos simuladores apresentados, surgirá nele uma corrente induzida.

 

Atividade II

            Após discutir e explicar a transformação de energia mecânica em energia elétrica, o professor poderá apresentar para os alunos um gerador bastante rudimentar. Prepare este gerador previamente no próprio colégio ou em sua casa e teste-o antes de usá-lo em aula. Para que todos observem seu funcionamento faça demonstrações para grupos com poucos alunos, por exemplo, divida a turma em grupos de 8 membros e repita a demonstração atendendo todos os grupos.

      Observação: Preferencialmente, sendo possível adquirir o material, distribua um kit para cada grupo de 4 alunos, oriente os grupos para montar e testar o gerador.

       Para cada montagem será necessário o seguinte material:

  1. Uma bobina de fio de cobre ou cerca de 1 metro de fio de cobre esmaltado fino.
  2. Um ímã de qualquer formato.
  3. Um galvanômetro ou multímetro sensível, com escala para baixas voltagens, décimos ou centésimos de volts.
  4. Um parafuso ou prego grosso, pelo menos 0,50 cm de diâmetro. 

Procedimento:

  • Se dispuser de uma bobina como na animação da lei de Faraday utilize-a ligando suas extremidades aos terminais do voltímetro. Se for o fio de cobre, raspe as duas extremidades do fio usando um pedaço de lixa ou material cortante para fazer contato elétrico com os terminais do multímetro. Enrole o fio envolvendo o parafuso ou prego mantendo sempre uma volta encostada na anterior sem sobrepô-la. Deverão fazer pelo menos 20 espiras, 20 voltas envolvendo o parafuso: se necessário recomece nova camada de espiras mantendo sempre o mesmo sentido de enrolamento para todas as voltas, quanto mais voltas mais intensa será a intensidade da corrente induzida. O prego é para aumentar a intensidade do campo magnético no interior da bobina.
  • Unir cada extremidade do fio de cobre respectivamente aos terminas do galvanômetro ou multímetro, veja a Figura 01. Se for usar o multímetro, utilize a escala de micro volts.
  • Depois é só movimentar o ímã, com movimentos de aproximação e afastamento consecutivos de um dos polos magnéticos nas proximidades do parafuso, núcleo da bobina, e observar o que ocorre com o ponteiro do galvanômetro.
  • Girar o ímã 180 graus para inverter os polos e repetir os movimentos, Figura 02.

 

Pergunte para os alunos:

          O que ocorre quando no interior da bobina quando o ímã se aproxima dela?

          E quando se afasta?

          Em ambos os casos o que se observa no voltímetro?

          Há alguma alteração nas observações quando mudamos a posição do ímã invertendo seus polos?

          Então o que se pode concluir dessa experiência?

Aula01Fig.01

Aula02Fig.02

Deverão ter percebido que:

Quando o ímã se aproxima da bobina aumenta o fluxo magnético em seu interior e quando afasta diminui o fluxo.

Em ambos os casos o ponteiro do galvanômetro se move, mas quando o polo do ímã se aproxima o ponteiro deflete para um lado e quando o mesmo polo se afasta deflete em sentido contrário ao anterior.

Trocando o polo do ímã, altera também o sentido do movimento do ponteiro.

 

Atividade III

 

          Em seguida poderá apresentar a seguinte simulação sobre funcionamento de um motor e de um gerador de corrente elétrica, disponível no seguinte link.

 

 

 

 

 

          Ao apresentar a animação acima, evidenciar o funcionamento e montagem do gerador, poderá montar um gerador bastante rudimentar mas equivalente aquele evidenciado na animação. O (a) professor (a) deverá montar e testar previamente o dispositivo, que é bastante simples, mas para evitar alguma surpresa durante a aula. Para montar o aparato será preciso dos seguintes materiais:

1.      Um metro de fio de cobre  cerca 1 mm de diâmetro.

2.      Duas plaquetas de um metal qualquer, aproximadamente 10 cm X 2 cm.

3.      Um ímã de qualquer formato, por exemplo, cilíndrico, retirado de um alto falante em desuso.

4.      Uma placa de madeira para servir de base na montagem.

5.      Um galvanômetro ou um voltímetro sensível a pequenas voltagens.

6.      Dois Pedaços de cilindro oco retirado da parte externa de uma caneta esferográfica já descartada.

7.      Quatro parafusos pequenos.

8.      Um pedaço de fio condutor de eletricidade.

 

          Procedimento para a montagem do gerador:

A montagem do gerador, semelhante ao apresentado na animação, link acima, é bastante simples e está esquematizada na Figura 03.

·        Primeiro raspe cerca de 2 a 3 centímetros do fio em cada um de suas extremidades usando uma lixa ou instrumento cortante tendo cuidado para não se ferir.

·        Depois dobre o fio em várias espiras de cerca de 5 cm de diâmetro, mantendo cerca de 5 cm de cada extremidade retas e de tal modo que essas extremidades fiquem diametralmente opostas, como ilustra a Figura 03. Nessa posição, prenda as  pontas na bobina,  espiras, usando um pedaço de fita crepe ou envolvendo as espiras com o próprio fio.  As pontas do fio devem ser mantidas na mesma direção do diâmetro das espiras.

·        Retire o tubo de carga de uma caneta esferográfica usada e usando a capa corte dois cilindros de 1 cm de comprimento,

·        Dobre uma das extremidades da placa, 2 a 3 cm da extremidade, de modo a formar um ângulo reto. A 1 cm da outra extremidade da placa fure um orifício por onde deverá passar a ponta do fio de cobre. Se não conseguir uma furadeira, use um prego e martelo. Faça o mesmo com a outra placa.

·        Com dois parafusos prenda cada placa metálica no suporte de madeira, de tal modo que a distância entre elas seja ligeiramente maior que o comprimento do diâmetro da bobina e os dois cilindros retirados da caneta, vejam esquema na Figura 03.

·        Introduza cada extremidade do fio nos orifícios das placas, conforme ilustrado na figura. O objetivo dos tubinhos, cilindros retirados da caneta é manter a posição da bobina estável.

·        Apoie o ímã na base de madeira de modo que um dos polos fique na direção do centro da bobina e o mais próximo dela possível sem interferir mecanicamente no seu giro.

·        Conecte dois condutores, ligando as placas metálicas aos terminais do voltímetro, esquema na figura. 

Para testar o gerador, enrole o barbante numa das extremidades da bobina com várias voltas. Com uma das mãos segure a placa para que fique firme e com a outra puxe o barbante com jeito, sem arranco, para não deformar a ponta do fio.

Quando for fazer a demonstração do funcionamento do gerador, para que todos os alunos possam observar, divida a turma em 4 grupos fazendo a apresentação para cada um dos grupos separadamente e repetindo o procedimento se necessário Peça a eles que enquanto a bobina gira observe o ponteiro do voltímetro.

Depois pergunte para a turma:

Considerando que o campo magnético é vertical, o que ocorre no interior da bobina quando ele gira 90 graus, passando de um plano horizontal para o plano vertical?

E no giro de 90 graus, do plano vertical para o horizontal?

Compare as duas práticas, ilustradas na Figura 01, Figura 02 e Figura 03, explique o que há diferente e comum entre elas.

Como no interior da bobina ao girar do plano horizontal para o vertical a área incidente pelo campo magnético diminui, o fluxo magnético diminui e quando gira passando do plano vertical para o horizontal a área no interior da espira atingida pelo campo magnético aumenta, o fluxo magnético também aumenta.

Os dois procedimentos têm em comum a variação do fluxo magnético na área envolvida pelo condutor, provocando uma corrente induzida. Em ambos há movimento relativo entre bobina e ímã. A diferença que na Figura 01 e na Figura 02 é o ímã que se movimenta enquanto que na Figura 03 é a bobina que se movimenta e o ímã permanece fixo.

 Aula01Fig.03

          Se acahar interessante, poderá fazer também a montagem da Figura 04. Para essa montagem será preciso:

Material:

1.      Um motorzinho elétrico desses encontrados em brinquedos de crianças que funcionam a pilhas.

2.      Cerca de 0,50 metro de fio fino condutor de eletricidade.

3.      Uma lâmpada pequena, LED,

4.      Cerca de meio metro de barbante.

5.      Uma pequena placa de madeira.

6.      Uma tirinha de metal ou uma presilha pequena.

7.      Dois parafusos.

Procedimento:

·        Com a tirinha de metal ou presilha e dois parafusos prenda o motorzinho na base de madeira.

·        Ligue os terminais do motorzinho ao LED, veja Figura 04.

·        Enrole o barbante no eixo do motorzinho como na figura.

·        Em seguida puxe o barbante para forçar o motor a girar e observe se o LED acende enquanto o motor gira.

Obs. Pode-se simplesmente segurar o motorzinho entre os dedos e puxar o barbante, nesse caso dispensa-se a base de madeira, a presilha e parafusos, esquema na Figura 05.

Peça então aos alunos que respondam.

Que tipo de transformação de energia ocorre no motor ao fazê-lo girar? O que se pode concluir disso?

Deverão responder que ao ser forçado a girar, transforma energia mecânica em energia elétrica.

Conclui-se disso que forçando o motor elétrico girar, ele se transforma em um gerador.

Aula01Fig.04

Aula01Fig.05

Recursos Educacionais
Nome Tipo
Eletricidade - Geradores e motores elétricos Animação/simulação
Lei de Lenz Animação/simulação
Os Curiosos – Corrente Elétrica Vídeo
Eletromagnetismo - Faraday : Eis o cara ! Animação/simulação
Recursos Complementares
Avaliação

 

            Sugerimos que divida a turma em equipes de 6 elementos para que pesquisem, depois apresentem e explique o funcionamento de um gerador de energia elétrica que funciona sem o uso de um ímã permanente.

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