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 Roda de Barlow

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br 

Histórico
Peter Barlow (1776 - 1862) - Matemático e físico britânico, nasceu em Norwich. Imaginou uma roda que é conhecida pelo seu nome Roda de Barlow, e foi o primeiro motor elétrico (1828).
Antes da apresentação dessa Roda à comunidade ele inventou um aparelho didático para ilustrar a teoria de Ampère sobre o magnetismo terrestre. Tal experimento ficou conhecido sob a denominação de Esfera de Barlow. Vejamos o que o levou a tal experimento.

A descoberta por Oersted da ação de uma corrente elétrica sobre a agulha magnética móvel sobre seu eixo e os trabalhos desenvolvidos por Ampère, nos anos que se seguiram, deram origem a uma nova forma de encarar a 'ação do globo terrestre' sobre as bússolas. A hipótese de Gilbert, o qual considerava a Terra como um gigantesco ímã, começava a mostrar certas fragilidades perante os dados experimentais.
A teoria não parou por ai, o desenvolvimento dos estudos experimentais sobre o Eletromagnetismo permitiu o aparecimento de um novo modelo segundo o qual a origem do magnetismo terrestre residia não na presença de um grande ímã no interior da Terra e sim na existência de correntes elétricas circulares no seu interior.
O aparecimento desta hipótese deve-se ao fato de Ampère ter conseguido pôr em evidência que o magnetismo resultava sempre da existência de correntes circulares no interior de um corpo. Não havia, então, razão para se duvidar que o magnetismo terrestre tivesse a mesma origem. Ficou assim aberto um novo campo de pesquisa designado por Geomagnetismo. Desde então, muito se tem investido no sentido do aperfeiçoamento de modelos que expliquem a complexidade das características do campo magnético terrestre e das suas variações ao longo da história da Terra.

Numa perspectiva pedagógica, Barlow criou um aparelho didático constituído por uma esfera de madeira (hoje substituível pelos globos terrestres escolares) sobre a qual enrolou fios de cobre, formando espiras circulares paralelas ao seu equador. Próximo desta esfera, distribuiu pequenas agulhas magnéticas, que simulavam a orientação das bússolas quando se faz passar corrente elétrica no fio condutor que envolve a esfera

Uma Esfera de Barlow, para ilustra teoria do magnetismo terrestre pode ser montada e apresentada em feiras de ciências ou em trabalhos escolares. O material para tal montagem é particularmente simples: um globo terrestre escolar (diâmetro de cerca de 30 cm); cerca de 12 metros de fio de cobre esmaltado número 22 ou 24; algumas agulhas magnéticas (tais pequenas bússolas são facilmente encontradas em lojas de 1,99); uma fonte de alimentação (2 ou 3 pilhas em série) e uma armação de madeira algo parecida como a ilustrada acima (pode-se usar da própria armação que acompanha o globo terrestre escolar).
O fio de cobre é enrolado, em espiras unidas, na região do equador. Fazendo-se passar corrente elétrica pelo fio constata-se, mediante as pequenas bússolas, a orientação dos campo magnético nas mais diversas regiões ao redor do globo.

A Roda de Barlow
A Esfera de Barlow acima destaca a ação do campo magnético (criado pela corrente elétrica que envolve o equador do globo) sobre os ímãs (bússolas), todavia, os campos magnéticos agem também sobre as correntes elétricas e esta ação manifesta-se com o aparecimento de força. 
Para bem entender o funcionamento da Roda de Barlow vamos nos estender um pouco sobre esse tema:

Ação dos campos magnéticos sobre as correntes elétricas
Consideremos inicialmente a seguinte montagem cuja finalidade será destacar o fenômeno:

Dois condutores rígidos que participam de um circuito elétrico que contém uma pilha e uma chave interruptora está imerso  no campo magnético produzido pelo ímã NS. Sobre esses condutores coloca-se um pequeno cilindro condutor (Cu, Al, Fe etc.). Enquanto a chave ch permanece aberta o pequeno cilindro mantém-se imóvel sobre os condutores (trilhos) mas, ao fecharmos a chave, o cilindro corre para  fora do ímã sobre os dois fios condutores que servem de trilhos, como indicado na ilustração acima, à esquerda.
No esquema, à direita, pode-se ver a explicação do fenômeno. Nessa ilustração o pequeno cilindro é visto pela sua secção reta, com a corrente elétrica 'entrando' no plano da figura (x) e o ímã está encostado no plano da figura. O campo magnético que a corrente retilínea produz ao seu redor é, como sabemos, formado por linhas de indução circulares. A regra da mão direita nos informa que o sentido convencional dessas linhas é o indicado na ilustração. O vetor indução magnética B é, em cada ponto, tangente à linha de indução e tem mesmo sentido que ela. 

No pólo Norte do ímã o campo magnético faz nascer a força F de mesma direção e sentido de B, enquanto que no pólo Sul faz nascer força F de mesma direção de B porém de sentido oposto. Pelo princípio da ação e reação, o ímã reage sobre o pequeno cilindro condutor da corrente elétrica fazendo aparecer nele a força resultante 2F. Sob ação dessa força o cilindro, de pequena massa, é lançado para a esquerda; o ímã, por sua grande massa, pouco ou nada será influenciado pela reação dessa força.
Invertendo-se o sentido da corrente no cilindro condutor, inverte-se o sentido da força sobre ele; será arrastado para 'dentro' do ímã em U. O mesmo ocorrerá se, mantendo-se o sentido original da corrente, invertermos os pólos do ímã (S em cima, N em baixo). 

O sentido da força que surge no condutor móvel (ou sobre a corrente) pode ser dado pela regra dos três dedos da mão esquerda: dispomos os três dedos da mão esquerda (médio, indicador e polegar) perpendiculares entre si, de modo que o indicador represente a direção e o sentido do campo de indução magnética B (do Norte para o Sul) e o dedo médio represente a direção e sentido da corrente; o polegar indicará a direção e sentido da força (ou, do deslocamento do condutor).

Esse fenômeno dá margem a um bom experimento e uma eficaz montagem para as feiras de ciências quando disposto como abaixo se ilustra:

Entre as pernas de um ímã em U colocamos uma pequena cuba K contendo um pouco de mercúrio. Suspendemos  um fio de cobre rígido MP, móvel ao redor de M, e cuja ponta mergulha cerca de 1 mm no mercúrio. Uma pilha tem seus terminais ligados, um em M e outro que mergulha  no mercúrio da cuba. Fechado o circuito, como se ilustra, a corrente circula no fio de M para P; o campo magnético do ímã age sobre essa corrente aplicando nela uma força F que, por sua vez, joga o condutor para a posição MP' (ou mesmo para fora do mercúrio!). Invertendo-se o sentido da corrente ou do campo (invertendo os pólos do ímã) o fio será projetado no sentido oposto.

Pois bem, a Roda de Barlow funciona exatamente do mesmo modo que o fio, apenas que, como o fio é substituído por um disco móvel (que faz o papel de infinitos fios) o movimento será contínuo. Na verdade, é um dos aparelhos mais simples para transformar a energia elétrica em energia mecânica; eis uma ilustração:

Consta de um disco de cobre ou alumínio, D, montado num eixo horizontal, E, ao redor do qual pode girar, apoiado nos mancais, P. A borda inferior do disco toca a superfície do mercúrio depositado na cuba C. O disco situa-se entre os pólos N e S de um ímã permanente.
Ao fazermos passar pelo disco, desde o mercúrio até o eixo de rotação (ou vice-versa), uma corrente elétrica de direção perpendicular às linhas de indução desse campo magnético, nasce a força que colocará o disco em rotação.

Reciprocamente, se fizermos girar o disco mediante uma manivela (ou outro meio mecânico qualquer) e interligarmos os fios F entre si, fechando o circuito, circulará por eles uma corrente elétrica induzida (que será explorada em outro trabalho).

Abaixo, à esquerda, uma visão da montagem sob outro ângulo. À direita, uma ilustração parcial (não se representa a cuba e os mancais do eixo do disco) onde se substituiu o ímã permanente por um eletroímã.

Apesar da montagem ficar um pouco mais dificultosa, é conveniente trocar o disco maciço por uma roda de dentes; isso reduzirá sua massa, seu momento de inércia e permitira uma maior velocidade de rotação. Ilustremos isso:

 


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