Bússola de copo d'água

Bússola de copo d'água 

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Objetivo

Construir uma bússola e estudar suas propriedades magnéticas.

Contexto

Determinados materiais apresentam propriedades magnéticas. Por propriedade magnética se entende a capacidade que um objeto tem de atrair outros objetos. Na interação entre dois objetos feitos de materiais magnéticos há também a possibilidade de repulsão entre eles. Os materiais que naturalmente apresentam propriedades magnéticas são chamados de ímãs. Convém notar que esses fenômenos de atração e repulsão podem também ser observados em materiais não magnéticos. Por exemplo, entre dois objetos carregados elétricamente. Porém, mesmo que carregados elétricamente, materiais não magnéticos não interagem com materiais magnéticos.
Em geral, propriedades elétricas ou magnéticas estão associadas a classes de materiais diferentes.
Uma outra forma de distinguir o tipo de fenômeno é conhecendo-se um dos materiais envolvidos. Sabemos que um ímã natural possui propriedades magnéticas: então todos os materiais que ele atrair ou repelir também terão propriedades magnéticas.
As propriedades básicas observadas em materiais magnéticos são explicadas pela existência de dois polos diferentes no material. A esses polos se dão os nomes de polo norte e sul. Polos de mesmo tipo se repelem e polos de tipos opostos se atraem. A esta configuração de dois polos dá-se o nome de "dipolo magnético". O dipolo magnético é a grandeza que determina quão forte é o ímã e sua orientação espacial pode ser represenada por uma flecha que aponta do polo sul para o polo norte.
As propriendades magnéticas dos materiais tem sua origem nos átomos, pois quase todos os átomos são dipolos magnéticos naturais e podem ser considerados como pequenos ímãs, com polos norte e sul. Isto é algo que decorre de uma somatória de dipolos magnéticos naturais dos elementos básicos da matéria (o "spin") com o movimento orbital dos elétrons ao redor do núcleo (pois este movimento cria um dipolo magnético próprio).
Para cada material, a interação entre seus átomos constituíntes determina como os dipolos magnéticos dos átomos estarão alinhados. Sabe-se que dois dipolos próximos e de igual intensidade anulam seus efeitos se estiverem alinhados anti-paralelamente; somam seus efeitos se estiverem alinhados paralelamente.

Assim, teremos os seguintes casos:
• Se os dipolos, sob qualquer condição, permanecerem desalinhados, apontando em direções aleatórias, há um cancelamento geral dos efeitos dos dipolos e o material não apresenta nenhuma propriedade magnética macroscopicamente observável (material não-magnético).
• No caso dos dipolos estarem todos alinhados, temos um material chamado ferromagnético permanente (ímã natural).
• Se os dipolos somente se alinharem na presença de um outro ímã, temos três casos:
• material ferromagnético: o ímã externo, ao atrair um dos polos de cada um dos átomos do material ferromagnético, termina por alinhar todos os dipolos magnéticos deste. Com todos os seus dipolos magnéticos alinhados, o ferromagnético, para todos os efeitos comporta-se como um ímã natural. O resultado final é que o material ferromagnético é atraído pelo ímã natural. O ferro, o níquel e o cobalto são alguns exemplos de materiais ferromagnéticos.
• material paramagnético: o alinhamento é similar ao caso ferromagnético, porém de intensidade aproximadamente 1000 vezes menor. Por isso também não é de fácil observação. O resultado final é que o material paramagnético é muito fracamente atraído pelo ímã natural. O vidro, o alumínio e a platina são alguns exemplos de materiais paramagnéticos.
• material diamagnético: além de causas diferentes, macroscopicamente é o caso oposto do paramagnético. O resultado final é que o material diamagnético é muito fracamente repelido pelo ímã natural. No fundo, todo material é diamagnético; só que na maioria dos casos o ferromagnetismo (permanente ou não) ou o paramagnetismo são mais fortes que o diamagnetismo. A água, a prata, o ouro, o chumbo e o quartzo são alguns exemplos de materiais diamagnéticos.
Convém ressaltar que o alinhamento nunca é total, nem em número de dipolos e nem na direção de cada um deles; trata-se de médias.
De acordo com um dos primeiros pesquisadores do magnetismo, Michael Faraday, o campo magnético é a região do espaço na qual se realiza a interação magnética entre dois objetos que apresentam propriedades magnéticas. E as linhas de campo são as linhas imaginárias que mapeiam o sentido deste campo em torno dos objetos. Ou seja, elas indicam a direção da atração ou repulsão magnética num ponto do espaço sob a influência de objetos magnetizados. As linhas de campo apontam do polo norte para o polo sul.

A atração ou repulsão entre dois objetos magnetizados é intermediado pela ação do campo magnético. Por outro lado, pode não haver atração ou repulsão entre dois objetos magnetizados, mesmo havendo entre eles campo magnético. Isto ocorre porque o campo magnético de um ímã enfraquece conforme aumenta a distância a ele. Então, dependendo da distância que separam os ímãs, o campo magnético não é forte o suficiente para, por exemplo, vencer o atrito que existe entre cada ímã e a superfície de uma mesa sobre a qual eles estejam colocados.

Idéia do Experimento

A bússola é um instrumento muito importante para a orientação em geral e também pode ser usada como detector de materiais magnéticos. A idéia principal deste experimento é justamente construir uma bússola simples para detectar campos magnéticos, principalmente o campo da Terra.
Este instrumento de orientação é constituído basicamente por dois elementos: uma agulha magnetizada e um suporte que permite que esta agulha gire livremente em torno de seu eixo.
Por ser a agulha muito leve e o atrito entre ela e o suporte que a sustenta muito pequeno, a bússola se torna um instrumento muito sensível podendo detectar materiais que estejam fracamente magnetizados.
A detecção se dá na forma de alinhamento, ou seja, a agulha da bússola é um pequeno ímã e como já foi dito no contexto, os ímãs podem ser atraídos ou repelidos por outros ímãs ou por campos magnéticos próximos. Logo, quando uma bússola é posta na presença de um campo magnético, a atração e a repulsão se manifestam simultaneamente, na forma de deflexão (rotação parcial ou completa) desta agulha em relação à sua posição anterior. Em outras palavras, a agulha alinha-se com o campo detectado.
Para contruírmos uma bússola de copo d'água, magnetizamos uma agulha de costura e a colocamos para boiar num copo d'água, com o auxílio de um pedaço de papel.
Como todas as bússolas, esta também precisa ter sua agulha livre para girar e apontar na direção do campo detectado e por esse motivo ela foi posta para boiar sobre a água.
As bússolas normalmente tem uma de suas extremidades pintada de vermelho, que aponta aproximadamente para o polo norte geográfico da Terra. O norte magnético da Terra não coincide com o polo norte geográfico: são praticamente opostos (veja figura abaixo). Logo, podemos concluir que a ponta pintada de vermelho das bússolas é o polo norte magnético da agulha, que aponta para o polo sul magnético terrestre.

Para descobrir a polaridade com que foi magnetizada a agulha de sua bússola, é preciso que se saiba de antemão onde está localizado o norte geográfico da Terra. Se sua bússola está voltada para a direção norte-sul geográfico, a extremidade que está voltada para o norte geográfico terrestre, será o polo norte magnético de sua agulha.
Quando se está em algum lugar onde não se sabe onde é o norte geográfico uma regra simples que passaremos a seguir pode ser muito útil. Utilizando-se da informação de que o Sol nasce sempre a leste e se põe a oeste, pode-se descobrir o norte estendendo-se o braço direito na direção do sol nascente (leste) e o braço esquerdo na direção do sol poente (oeste). Pela disposição dos pontos cardeais, podemos concluir que o Sul ficará voltado para as costas e o Norte para a frente. Veja a figura abaixo.

É importante fazermos aqui uma ressalva. O método acima só serve para dar uma idéia de onde está o norte geográfico, pois o Sol não nasce sempre na mesma posição. A variação da posição do nascer do Sol em relação ao leste, é diária e pode se dar tanto para o norte quanto para o sul, dependendo da época do ano. Logo, o método acima dá uma orientação grosseira da localização do polo norte geográfico terrestre, mas é suficiente para se definir a polarização da agulha da bússola.
Uma segunda maneira de se saber com que polaridade foi magnetizada a agulha de sua bússola é comparando-a com uma outra bússola já identificada ou com uma bússola comercial. Então, ao descobrir qual é a polaridade de sua agulha, é aconselhável que se faça uma marca na extremidade que está voltada para o norte geográfico, como é convencionado. Isso pode servir de referência para a construção de outra bússola e para a sua utilização por qualquer pessoa.
Com a informação da polaridade da bússola, você pode descobrir qual é o polo norte e o polo sul de um ímã e de qualquer outro objeto imantado, além de poder realizar atividades de orientação e navegação.

Tabela do Material.

  

Item	Observações
Copo	Um copo convencional ou qualquer pote serve. É interessante que tenha a boca larga para dar mais mobilidade à agulha.
Agulha	A agulha pode ser de costura ou de máquina de costura; ambas podem ser encontradas em lojas de armarinho, supermercados ou bazares.
Ímã	Ímãs são encontrados em alto falantes, ferro velho, lojas de materiais elétricos, em alguns brinquedos, em objetos de decoração como os ímãs de geladeira, etc.
Papel	Neste experimento usamos um pedaço de folha do tipo sulfite. Mas também pode ser usado folha de caderno, jornal ou qualquer outro tipo de papel.

 Montagem

• Primeiro deve-se imantar a agulha, passando-se o ímã natural várias vezes sobre ela, sempre na direção do seu comprimento e no mesmo sentido. Para saber se agulha já está bem imantada, aproxime-a de algum objeto metálico ferromagnético (ferro, clips, moedas, etc.) e verifique se há atração ou repulsão.
• Corte um pedaço de folha de papel quadrado de 2,0 cm de lado aproximadamente ou de acordo com o tamanho da agulha que será utilizada. Este papel serve parapermitir que a agulha de costura possa flutuar sobre a água.
• Atravesse ou cole a agulha na direção diagonal desse quadrado. Veja a figura abaixo.

• Coloque o pedaço de papel com a agulha em um copo cheio de água.
• Verifique por algum método se sua bússola está funcionando, comparando a direção para onde a agulha está apontando com alguma referência. Sem outros campos magnéticos por perto, ela deve se orientar na direção norte-sul magnética da Terra.

Comentários

• Tome cuidado com os alto-falantes, pois eles contém ímãs bastantes fortes e o campo gerado por eles atrapalhará o experimento, caso haja algum por perto.
• Outros materiais podem estar imantados e atrapalhar o experimento, como: tesouras, pregos ou qualquer outro metal que esteja perto do experimento.
• Um campo magnético gerado por corrente elétrica, também pode comprometer o funcionamento do experimento. Isso pode ocorrer, por exemplo, ao se deixar a bússola perto de algum fio elétrico onde há corrente elétrica.
• Pode-se conseguir melhores resultados de imantação pelo aquecimento da agulha antes de passar o ímã sobre ela. Quando ela estiver quase incandecente retire-a do fogo. Passe o ímã sobre a agulha até que esfrie.
• O pedaço de papel pode ser substituído por uma fatia de rolha (cortiça). O papel é mais fácil de se conseguir do que cortar uma fatia de rolha. Porém o papel não dura muito tempo. Ele afunda ou se desmancha depois de algum tempo em contato com a água. Para fazer essa substituição proceda da seguinte forma:
• corte uma fatia fina de rolha (cortiça) no formato de um disco;
• atravesse ou cole a agulha imantada no disco já cortado. Veja a figura abaixo;

• coloque o disco de cortiça com a agulha para boiar num copo cheio d'água.

Esquema Geral de Montagem

Projeto Experimentos de Física com Materiais do Dia-a-Dia - UNESP/Bauru