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