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Galvanoscópio
(O sensor de corrente elétrica)

Prof. Luiz Ferraz Netto [Léo]
leobarretos@uol.com.br

Objetivo
O projeto a seguir constitui um simples, porém sensível, detetor de corrente elétrica. Ele é capaz de acusar intensidades de corrente da ordem dos milionésimos do ampère e, assim, pode ser usado em conjunto com fontes alternativas de energia elétrica, com trabalhos de eletromagnetismo e em primorosas apresentações em Feiras de Ciências. Realmente, os 'sensores' ou detetores de corrente elétrica, sobre os quais apresentaremos vários modelos, encontram múltiplas aplicações nos laboratórios de Eletricidade e campos da Física ou eletrônica. A versão aqui descrita, bem simples e construída com material de fácil aquisição, permite sua utilização nas mais variadas experimentações, conforme veremos.

Princípio de funcionamento
De há muito se suspeitava que a 'eletricidade' estava relacionada de alguma forma com o magnetismo. Por exemplo, peças de ferro tinham sido freqüentemente encontradas 'magnetizadas' nas vizinhanças de algum lugar onde havia "caído" um raio. Mas a conexão entre as duas ciências não foi descoberta
senão em 1820.
Naquele ano, o cientista dinamarquês Hans Christian Oersted (1777 ---1851), fez uma grande descoberta que deu origem à ciência do eletromagnetismo. Ele descobriu que, um fio conduzindo uma corrente elétrica provoca uma deflexão (desvio) de uma agulha magnetizada. O fio foi primeiramente alinhado em paralelo com a agulha de uma bússola (que repousa na direção norte-sul), não havendo fluxo de corrente elétrica, conforme se vê abaixo.

Exp. de Oersted
Descoberta, feita por Oersted, da interação entre a eletricidade e o
magnetismo. Uma corrente elétrica produz uma força sobre a agu-
lha magnética que estava inicialmente alinhada com o fio

Quando a corrente começou a passar, a agulha do compasso girou no sentido indicado, até ficar em quase ângulo reto com o fio. Quando cessou a corrente, a agulha retornou à sua direção norte-sul normal.

A descoberta de Oersted foi verdadeiramente momentosa. Embora um corpo eletrizado, quer positiva ou negativamente, não tenha efeito sobre um ímã, uma fraca corrente de cargas em movimento é capaz de exercer forças sobre seus 'pólos magnéticos' --- forças que são transmitidas através do espaço vazio. O elo de ligação entre a eletricidade e o magnetismo revelara-se como sendo o movimento. Dessa descoberta, portanto, deriva o 'novo' conhecimento científico: "toda corrente elétrica produz ao redor dela um campo magnético" --- esse é o efeito magnético da corrente e não admite exceção, não importa se o condutor por onde flui a corrente é sólido, líquido ou gasoso. Esse campo pode agir sobre determinados corpos magnetizando-os e/ou gerar forças de campo capaz de movimentá-los se já estiverem magnetizados.
Você poderá repetir, com facilidade, a Experiência de Oersted, usando:

uma bússola de bolso (ou apenas a agulha da bússola e suporte),
cerca de 50 cm de fio elétrico comum (rígido ou flexível),
uma pilha comum, de lanterna.

Proceda assim:
a) ponha a bússola sobre uma mesa, com o mostrador para cima; espere até que a agulha pare indicando a direção norte-sul;
b) ponha a região central do fio sobre a bússola (ou agulha e seu suporte), cuidando para que o fio fique paralelo com a agulha, ou seja, fique também na direção norte-sul, conforme ilustramos abaixo.

c) dobre os extremos do fio, próximos às mãos, de modo que suas extremidades fiquem bem perto uma da outra.
d) peça ao seu colega de trabalho prático que encoste uma das extremidades desse fio (já desencapado) na base da pilha (terminal negativo). Uma fita adesiva pode ser usada para fixar essa ponta do fio na pilha.
e) peça que encoste a outra ponta do fio no topo da pilha (terminal positivo).

A agulha balançará vivamente até estacionar fazendo ângulo de 90o com o fio. Desligue rapidamente esse fio! Não é nada bom para a pilha suportar essa intensa corrente elétrica por muito tempo!

f) Repita tudo, desta vez invertendo os terminais da pilha. A agulha irá se desviar em sentido oposto ao anterior.

g) Pegue um pedaço de papel de (5 x 10) cm e dobre o lado de maior comprimento em pregas de cerca de 1 cm de altura. Ponha o fio sobre a mesa já na direção norte-sul; ponha o papel pregueado sobre ele de maneira que o fio fique debaixo de uma das pregas e, a seguir, coloque a bússola sobre o papel. O papel pregueado serve de suporte para a bússola. Com essa montagem faremos a corrente elétrica passar 'por debaixo da agulha' em lugar de passar 'por cima da agulha' como no experimento anterior.
h) Repita o procedimento de ligar as extremidades do fio na pilha. Compare os sentidos de desvio da agulha da bússola nos dois casos: fio por baixo e fio por cima.

Conforme vimos acima, o  indicador eletromagnético de correntes  mais simples é a agulha magnética colocada sob ou sobre o condutor (Experiência de Oersted). Aumentamos a sensibilidade do indicador passando o condutor diversas vezes sob e sobre a agulha magnética. Assim se forma o galvanoscópio, antigamente chamado de Multiplicador.

O galvanoscópio de ímã móvel
Em um pequeno ímã em forma de barra e suspenso rotativamente em seu ponto central, como ilustrado abaixo, em (a) ou em um ímã em forma de disco, ilustração (b), é fixado um ponteiro perpendicularmente à linha que une os pólos N e S. Nesse ponteiro é fixado um 'peso' na extremidade inferior. Colocamos esse arranjo no interior de uma bobina, de modo que o ponteiro saia pelo pólo superior (o ímã fica com direção NS perpendicular à direção NS da bobina, na ausência de corrente elétrica). Com a passagem da corrente elétrica, o ímã procurará girar de modo a tentar ficar com seus pólos N e S o mais próximo possível dos pólos S e N da bobina, devido às repulsões entre pólos de mesmo nome. Todavia, isso não ocorre de maneira total devido ao torque de retrocesso imposto pelo 'peso' fixado na extremidade inferior do ponteiro. Assim, a agulha apenas se desvia da vertical e esse desvio aumenta com o aumento da intensidade de corrente na bobina.

O indicador de corrente de ímã móvel descrito acima é bastante sensível e se denomina galvanoscópio de agulha.
Se invertermos o sentido da corrente na bobina, o ponteiro se desvia para o outro lado. O galvanoscópio de agulha não indica a corrente alternada da rede que passa por uma lâmpada de filamento. O sistema ponteiro/agulha não pode acompanhar a mudança de sentido da corrente que ocorre 120 vezes por segundo; ele assinará porém um grande desvio, quando a lâmpada é ligada a uma fonte de corrente contínua correspondente.
Poderíamos analisar a intensidade da corrente pelo desvio do ponteiro, se este não possuísse força de retrocesso?

O galvanoscópio de ferro móvel
Comecemos propondo a seguinte experiência:  coloque duas hastes cilíndricas de ferro (podem ser dois pregos sem cabeça, como se ilustra abaixo em (a)), juntas, dentro de uma bobina 'deitada'. Aplique uma tensão elétrica à bobina, compatível com o enrolamento dessa. O que você observa?

Sim, isso mesmo! As hastes se repelem e giram procurando se afastar o máximo possível uma da outra. Isso ocorre porque as duas hastes se magnetizaram com mesma polaridade em suas extremidades unidas.

Apresentemos outro modelo de galvanoscópio de ferro móvel, melhorando essa 'técnica dos pregos'.
Uma chapa de ferro, na qual fixamos um ponteiro P (ilustração acima em (b) e (c)), é introduzida no interior de uma bobina, defrontando outro chapa de ferro fixa na própria bobina. A chapa móvel fica apoiada por duas pontas, o que permitem que o ponteiro fique em posição vertical. Ao passar a corrente elétrica pela bobina a chapa móvel desvia-se, afastando-se da chapa de ferro fixa. O ponteiro P, assim, desloca-se ao longo de uma escala e, ao mesmo tempo, serve de torque de retrocesso.
O comportamento da chapa móvel é o mesmo quer se use de corrente contínua ou de corrente alternada. Que explicação você dá para isso?

Os instrumentos de medida de ferro móvel comerciais, repousam no princípio de repulsão de barras ou chapas de ferro doce. A idéia geral é ilustrada abaixo. A chapa móvel é repelida pela chapa fixa.
Qual a função da mola espiral que está no ponteiro? Por que empregamos ferro doce?


Instrumento de medida de ferro móvel,
funciona tanto com AC como com DC.

Voltemos agora ao nosso Galvanoscópio Didático cujo princípio de funcionamento é o mesmo exposto no indicador de corrente de ímã móvel, com os recursos que intensificam a sensibilidade do aparelho.

Material

4 tiras de laminados MDF (ou papelão duro) de 8cm x 3cm x 2mm;
1 base de madeira de 10cm x 10cm x 1cm;
4 sarrafos de madeira de 3cm x 1cm x 1cm (optativo);
25 m de fio de cobre esmaltado fino (#28 ou #30);
1 lâmina de barbear;
1 ímã permanente; cola de madeira etc.

Montagem

As 4 tiras de laminado MDF devem ter suas extremidades coladas de modo a formar um "quadro" (armação), com os 4 sarrafos colados em seus cantos (para reforço do quadro), conforme se ilustra (observe o modo de colagem das tiras):

A seguir, o fio de cobre esmaltado, fino, deverá ser enrolado nesse quadro, deixando uma pequena margem nos bordos. Cerca de 20 cm das duas extremidades dessa bobina devem sobressair e ter suas extremidades raspadas para retirar o esmalte. Cole esse quadro com o enrolamento sobre a base de madeira e fixe as extremidades dos fios em dois pequenos parafusos. Eis um visual do final dessa etapa:

A próxima etapa consiste em magnetizar a lâmina de barbear (popular 'gilete') pela técnica do 'esfregaço'. Abaixo esquematizamos uma lâmina de aço (representando a de barbear) e o modo de operar.

A lâmina deve ser esfregada no ímã, várias vezes e sempre no mesmo sentido e no mesmo pólo do ímã, inclinada de 30o a 45o. O esfregaço deve se limitar às duas faces da lâmina porém sempre com a mesma extremidade tocando o ímã. Ímãs tirados de alto falantes também servem para essa técnica. Uma agulha de bom aço pode ser magnetizada pela mesma técnica, esfregando-a deitada no ímã, sempre do furo para a ponta e sempre no mesmo pólo. Faça essa operação pelo menos umas 20 vezes.

Procedida à imantação da lâmina esta deverá ser presa a um fio de seda e amarrada bem no centro da armação da bobina, como se ilustra:

Pronto! Eis nosso galvanoscópio pronto para indicar a presença de campos magnéticos produzido pelas tênues correntes elétricas que circularem pela bobina e assim, detetar a presença de uma tensão elétrica ou, no fim da história, a presença de energia elétrica. Quanto maior a quantidade de energia elétrica disponível, tanto mais intensa será a corrente na bobina e tanto maior será o desvio apresentado pelo indicador (no caso, a lâmina de barbear).

Aplicações
Eis alguns experimentos para usar nosso sensor de corrente elétrica:

A. Testando a sensibilidade do aparelho
     Usar uma pilha comum de lanterna e vários resistores (100 ohms, 220 ohms, 470 ohms, 680 ohms, ... , 10k ohms, 15k ohms etc.). A figura abaixo ilustra esse procedimento.

Coloque um novo parafuso na base de madeira; coloque etiquetas com letras A, B e C. De A e C saem dois fios que deverão ser ligados aos terminais da pilha de lanterna. Entre A e B devem ser colocados os resistores que servirão, entre outras, para testar a sensibilidade do aparelho. Comece com o resistor de 100 ohms colocado entre A e B, fixe o fio que sai de C ao pólo negativo da pilha (use fita adesiva) e toque a extremidade livre do fio que sai de A no pólo positivo da pilha. Verifique se há movimento da lâmina. Troque o resistor entre A e B por outro de 220 ohms; toque o fio livre no positivo da pilha; verifique se a lâmina se movimenta. Assim, sucessivamente, vá colocando resistores de resistências cada vez maior entre A e B até que não consiga mais perceber qualquer movimento da lâmina. O penúltimo resistor testado (aquele para o qual ainda se percebe o mais leve movimento da lâmina) servirá para o cálculo da sensibilidade do galvanoscópio montado.

Suponhamos que foi observado movimento da lâmina com resistores de até 15k ohms (15 000 ohms). Então a sensibilidade será, de acordo com a lei de Ohm: I = U/R = 1,5 volts/15 000 ohms = 0,000 1 A = 0,1 mA = 100 mA , ou seja, 100 milionésimos do ampère!

Dada a alta sensibilidade, deve-se prever a corrente máxima e assim evitar ligá-lo diretamente na saída de fontes de alimentação, nos terminais de pilhas médias e grandes ou ainda utilizá-o perto de imãs ou outros dispositivos que produzam campos magnéticos.

Não se esqueça de, ao utilizá-lo, colocar a armação (bobina) paralela ao plano da lâmina, de modo que (ao circular a corrente elétrica) a lâmina receba em suas extremidades a maior intensidade do campo magnético produzido pela bobina.

B. Detetando correntes induzidas
     Se você construir duas bobinas (para a segunda, dispensar a lâmina de barbear), poderá usar nosso galvanoscópio para demonstrar a presença de corrente elétrica produzida nessa segunda bobina, quando se movimenta um ímã em seu interior. É a tradicional Experiência de Faraday. Eis o visual da montagem:

Em Feiras de Ciências, além do projeto do galvanoscópio em si (já um bom projeto!), você poderá usá-lo para testar a conversão de energia química em energia elétrica (usando pilhas feitas de batatas, bananas, maçãs, mamões etc.), de energia mecânica em elétrica (ligar o aparelho num motor de carrinho de brinquedo e girar o eixo com os dedos ou puxando um barbante), de energia eólica em elétrica (colocando uma hélice no eixo do motor citado anteriormente), de energia luminosa em elétrica (colocando uma fotocélula de calculadora ligado ao nosso aparelho) etc.

Bom sucesso! Escreva-nos contando suas peripécias, dificuldades etc.

 


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