Física do ensino fundamental · Grades 1–9
54A corrente elétrica e os efeitos dela
A corrente marchou anonimamente útil por cinco anos de circuitos: acendendo filamentos, girando motores, tocando campainhas. Neste ano a eletricidade fica quantitativa — medidores, unidades e leis — e começamos fazendo um inventário: o que, exatamente, uma corrente consegue fazer? São três efeitos, e o mundo elétrico inteiro é construído com eles.
54.1 Os três efeitos
Proposição 54.1 (Os efeitos da corrente elétrica)
Uma corrente que passa pela matéria se mostra por três efeitos:
- o efeito térmico: toda corrente aquece o condutor que atravessa — de leve nos bons fios, ferozmente nos finos ou sobrecarregados, até a incandescência de propósito nos filamentos e nas torradeiras;
- o efeito magnético: uma corrente torna magnética a vizinhança dela — um fio desvia a agulha de uma bússola próxima, e um fio enrolado vira um ímã de verdade, com polos, ligável à vontade;
- o efeito químico: ao atravessar certos líquidos, uma corrente provoca transformação química — separando a água em dois gases, banhando colheres de prata, carregando e descarregando toda bateria.
Exemplo 54.2 (O efeito térmico em ação)
De propósito: as barras acesas da torradeira, a resistência escondida da chaleira elétrica, o filamento incandescente da lâmpada antiga, o fusível feito para derreter primeiro. Indesejado: carregadores de celular mornos, a parte de baixo quente dos notebooks — e a ameaça do curto-circuito, que você estudou como a assinatura do vilão. Um efeito, servo e perigo, dosado pela força com que a corrente corre — uma dose que aprendemos a medir no próximo capítulo.
54.2 A corrente fabrica ímãs
Exemplo 54.3 (A bússola entrega o fio)
Dois séculos atrás, durante uma aula, um físico notou a agulha de uma bússola dar um pulinho toda vez que ele fechava um circuito na bancada ao lado. Aquele pulinho — mal um tremor de agulha — foi a primeira ponte já vista entre a eletricidade e o magnetismo, duas ciências até então tão separadas quanto o clima e a música. Ponha uma bússola ao lado de um fio e ligue: a agulha se desvia; inverta a corrente e ela se desvia para o outro lado. A corrente cria magnetismo em volta de si, com um sentido.
Definição 54.4 (Eletroímã)
Um eletroímã é uma bobina de fio isolado — muitas vezes enrolada num núcleo de ferro — que vira um ímã enquanto a corrente passa por ela: polo norte, polo sul, poder de agarrar ferro e tudo mais. Diferente de qualquer ímã de pedra, ele obedece a um interruptor: corrente ligada, ímã ligado; corrente desligada, ímã sumido; corrente invertida, polos trocados.
Exemplo 54.5 (O magnetismo com interruptor comanda o mundo)
O guindaste do ferro-velho agarra um carro com um eletroímã e o solta abrindo um interruptor — tente isso com um ímã de pedra. As fechaduras elétricas, o estalo de um relé, o martelinho da campainha (um eletroímã que o arranca contra o sino, corta a própria corrente e volta pela mola: um chacoalhar virado lei), a cabeça de leitura dos telefones antigos e — acima de tudo — todo motor elétrico: magnetismo feito de corrente empurrando contra ímãs, milhares de vezes por segundo. O efeito magnético é o músculo da era elétrica.
Método 54.6 (Enrolar um eletroímã)
- enrole um metro ou dois de fio fino isolado em voltas apertadas e caprichadas em torno de um prego ou parafuso grande de ferro, deixando as duas pontas livres;
- ligue as pontas a uma pilha através de um interruptor (nunca direto por muito tempo — a bobina é quase um curto-circuito e esquenta: o efeito térmico faz o papel de acompanhante da experiência);
- feche o interruptor por um instante: a cabeça do prego agarra clipes; abra: eles caem;
- teste com uma bússola: as duas pontas da bobina se comportam como polos N e S — e trocam quando você inverte a pilha.
Mais voltas, agarrada mais forte: dose o magnetismo enrolando.
54.3 O efeito químico
Exemplo 54.7 (Corrente através da água)
Mergulhe dois eletrodos de grafite de lapiseira ligados a uma pilha numa água levemente condutora (uma colher de bicarbonato ajuda) e observe: bolhinhas escorrem das duas grafites — dois gases diferentes, nascidos da própria água, com o dobro de volume numa das grafites em relação à outra. A corrente está desmontando a água nos dois componentes invisíveis dela. Essa porta entre a eletricidade e a química — a eletrólise — banha de prata colheres baratas, arranca alumínio do minério e pertence sobretudo ao seu curso de química; a física a saúda e segue em frente.
Exemplo 54.8 (Toda pilha é o efeito ao contrário)
Dentro de toda pilha, a química empurra a corrente: a energia química armazenada comanda a marcha, gastando a si mesma enquanto serve — o esvaziamento que você conhece desde que a lanterna enfraqueceu. As pilhas recarregáveis fecham o círculo: o carregador força a corrente ao contrário, e o efeito químico reconstrói a reserva. De química para elétrica, de elétrica para química: um efeito, os dois sentidos, e a indústria inteira das baterias.
Observação 54.9 (Efeitos como detectores)
Os três efeitos respondem a uma pergunta que confundia você como aprendiz do testador: como se vê uma corrente — uma marcha invisível dentro de um fio opaco? Pelos feitos dela. Um fio esquentando, uma bússola pulando, uma bolha escorrendo: cada um denuncia a marcha. Todo instrumento de medida de corrente já construído lê um dos três efeitos — e o que espera no próximo capítulo lê o pulinho magnético, refinado num mostrador com números.
54.4 Exercícios
Exercício 54.1 ★
Diga os três efeitos da corrente elétrica, cada um com um uso a serviço da gente.
Exercício 54.2 ★
Qual efeito, em cada cena: um fusível derretendo; uma campainha martelando; bolhas nas grafites; o brilho de uma torradeira; a agarrada de um guindaste de ferro-velho?
Solução
Solução de Exercício 54.2.
Térmico; magnético; químico; térmico; magnético.
Exercício 54.3 ★
O que a bússola pulando ao lado da bancada da aula revelou? O que acontece com o pulinho quando a corrente é invertida?
Solução
Solução de Exercício 54.3.
Que uma corrente cria magnetismo em volta do fio dela — a primeira ponte entre a eletricidade e o magnetismo. Inverter a corrente inverte o pulinho.
Exercício 54.4 ★
Dê três poderes que um eletroímã tem e que ímã de pedra nenhum consegue igualar.
Exercício 54.5 ★
No método de enrolar, por que o fio precisa ser isolado? E por que a bobina não pode ficar ligada por muito tempo sem uma carga trabalhando?
Solução
Solução de Exercício 54.5.
Voltas nuas se tocando deixariam a corrente cortar caminho pelos enrolamentos em vez de percorrer a bobina — o isolamento força o caminho longo que magnetiza. E a bobina sozinha quase não se opõe à marcha: deixada ligada, ela é quase um curto-circuito, aquecendo a bobina e a pilha — o efeito térmico faz o papel de acompanhante.
Exercício 54.6 ★
Como o operador do guindaste solta o carro? Compare com o que um ímã de pedra de força equivalente exigiria.
Solução
Solução de Exercício 54.6.
Abrindo um interruptor: corrente sumida, magnetismo sumido, carro solto. Um ímã de pedra dessa força seguraria para sempre — soltar o carro exigiria máquinas para arrancá-lo.
Exercício 54.7 ★
Que conversão de energia acontece dentro de uma pilha em uso? E dentro de uma pilha recarregável no carregador?
Exercício 54.8 ★
Por que os três efeitos são preciosos como detectores? Qual efeito o instrumento do próximo capítulo vai refinar num número?
Solução
Solução de Exercício 54.8.
Porque a própria marcha é invisível: só os feitos dela a denunciam. Aquecer, fazer pular e borbulhar são as únicas assinaturas da corrente — e o instrumento do próximo capítulo refina o pulinho magnético numa leitura com números.
Exercício 54.9 ★★
A campainha: um eletroímã arranca o martelinho na direção do sino, mas o martelinho em movimento rompe o próprio circuito; uma mola o traz de volta, refazendo o contato — e assim por diante. Percorra um ciclo completo e explique por que o projeto precisa chacoalhar em vez de segurar.
Solução
Solução de Exercício 54.9.
Botão apertado: a corrente flui, o eletroímã arranca o martelinho, tlim — mas o balanço do martelinho abre um contato na própria alimentação dele; o magnetismo morre, a mola traz o martelinho de volta e o contato se refaz; a corrente volta, novo arranco — e assim por diante, muitas vezes por segundo. Segurar é impossível por projeto: o arranco sempre corta a própria causa — e o chacoalhar é o toque.
Exercício 54.10 ★★
Um relé é um interruptor fechado por um eletroímã: uma corrente pequena na bobina fecha contatos que carregam uma corrente grande em outro circuito. Explique por que isso permite que um termostato delicado comande com segurança um aquecedor elétrico faminto — e quais dois circuitos nunca se tocam.
Solução
Solução de Exercício 54.10.
Os contatos frágeis do termostato carregam apenas a corrente pequena da bobina; o magnetismo da bobina fecha contatos robustos que carregam a corrente faminta do aquecedor, numa volta separada. O pequeno comanda o grande, e os dois circuitos nunca se tocam — a mão delicada puxa uma alavanca, não a carga.
Exercício 54.11 ★★
A agulha da sua bússola dá um pulinho sempre que um fio escondido na parede carrega corrente. Projete um localizador de fios na parede a partir desse fato: protocolo, o que um pulinho forte quer dizer e um limite honesto do instrumento (pense no que mais move agulhas de bússola).
Solução
Solução de Exercício 54.11.
Protocolo: segure a bússola encostada na parede, longe de móveis de ferro; varra devagar; onde a agulha pular conforme o aparelho suspeito é ligado e desligado, corre um fio com corrente. Um pulinho forte quer dizer corrente próxima ou forte. Limite honesto: as agulhas também respondem a canos de ferro, a ímãs e à própria Terra — então só um pulinho que acompanha o liga-desliga prova que há corrente.
Exercício 54.12 ★★★
Um motor elétrico, em linhas gerais: uma bobina num eixo fica entre os polos de um ímã; a corrente transforma a bobina num ímã; o empurra-e-puxa dos polos gira o eixo — e, justamente quando a bobina se acomodaria alinhada, a corrente que passa por ela é invertida, de modo que ela precisa perseguir o alinhamento para sempre. Explique, polo a polo, por que a inversão é indispensável — o que o motor faria sem ela? (Você acabou de explicar por que os motores contêm um contato inversor — e metade de como a era elétrica gira as rodas dela.)
Solução
Solução de Exercício 54.12.
A corrente transforma a bobina num ímã; polos diferentes da bobina e da armação se atraem, polos iguais se repelem, e a bobina gira na direção do alinhamento. Sem a inversão, ela chegaria ao alinhamento e pararia — meia volta e um tremor até o repouso: um fecha-porta, e não um motor. Inverter a corrente no instante do alinhamento troca os polos da bobina: a atração de ontem vira repulsão, o alinhamento passa a ser o pior lugar para estar, e a bobina precisa continuar perseguindo um objetivo que foge a cada meia volta — perseguição perpétua, ou seja: rotação.
54.5 Problema: A oficina do inventor
Problema 54.1
Problema de fim de semana — uma pilha, três efeitos, cinco invenções; uma noite na oficina do inventor
A bancada da oficina tem pilhas, fio, pregos de ferro, uma bússola, duas grafites de lapiseira, um pote de água com bicarbonato — e um caderno de invenções pela metade para avaliar.
Parte I — Fazendo o inventário.
- Esboce a bancada de teste dos três efeitos da oficina: com uma pilha e um interruptor, descreva uma montagem que mostre os três efeitos ao mesmo tempo (um fio fino para esquentar, uma bússola ao lado de um trecho de fio, o pote na volta). Em que arranjo as três demonstrações precisam ficar — série ou paralelo — para que um único interruptor comande todas?
- O fio fino da demonstração esquenta, mas os fios grossos de alimentação continuam frios, na mesma volta. Qual fato do primeiro capítulo sobre a volta em série torna isso mais interessante do que parece — o que é igual nos dois fios, e o que é diferente?
- A bússola pula para leste quando o interruptor fecha. Quais duas mudanças, feitas juntas, deixariam o pulinho exatamente como estava?
- As bolhas escorrem duas vezes mais depressa de uma das grafites que da outra. O que isso sugere sobre os dois componentes da água? (A química vai confirmar a proporção.)
Parte II — Avaliando as invenções.
- Invenção: “a campainha silenciosa” — um eletroímã que puxa um martelinho de feltro uma vez e o segura até o botão ser solto. Que peça do mecanismo da campainha clássica o inventor precisa retirar, e o que a visita vai ouvir?
- Invenção: “o separador magnético” — a sucata numa esteira passa debaixo de um eletroímã que retira ferro e aço. O que acontece na caçamba de descarga, e por que o separador deixa as latinhas de alumínio na esteira (dois fatos sobre ímãs, de anos anteriores, respondem)?
- Invenção: “o inversor de polos” — uma bússola montada sobre uma bobina, virando cada vez que um interruptor escondido inverte a pilha. Que propriedade do magnetismo feito de corrente está sendo aproveitada?
- Invenção: “o galvanizador eterno” — banho de prata movido por uma pilha que “se recarrega com o próprio banho”. Vete a invenção, citando os dois sentidos da pilha vistos no capítulo e uma lei mais antiga sobre energia.
Parte III — A obra-prima da noite. O inventor termina com um guindaste de brinquedo para a quermesse: um joystick, um eletroímã pequeno pendurado em cordas e uma caixa de bugigangas de ferro.
- Escreva o roteiro da jogada vencedora na linguagem dos efeitos: o que acontece na “pegada”, durante o balanço e na “soltada”?
- Os frequentadores reclamam que o guindaste deixa cair os prêmios no meio do balanço sempre que a pilha velha fraqueja. Qual propriedade do eletroímã — virtude e fraqueza numa coisa só — está em exibição?
- O inventor dobra o número de voltas da bobina para ajudar. Preveja o efeito sobre a agarrada e diga qual é a outra dose (do lado da pilha) que o próximo capítulo vai nos deixar numerar.
- Última página do caderno: escreva o resumo da oficina — uma frase para cada efeito, cada uma citando a melhor invenção a serviço da gente da noite.
Solução
Solução de Problema 54.1.
1. As três demonstrações em série numa volta só, com o interruptor: uma marcha serve então o fio quente, o fio da bússola e o pote, um depois do outro — um interruptor, três efeitos. 2. A lei da série: a mesma corrente atravessa tanto o fio grosso como o fino. O que difere é só a estrada — o fio fino sofre mais com a marcha e esquenta: mesma dose, paciente diferente. 3. Inverter a pilha e passar o fio do outro lado da bússola (ou virar a bússola): duas inversões se cancelam, e o pulinho continua para leste. 4. Que os dois componentes da água estão presentes numa proporção de dois para um — o dobro de gás numa grafite em relação à outra. 5. Retirar o contato que se autointerrompe (a peça que o balanço do martelinho abre): o eletroímã então segura o martelinho de feltro contra o sino, em silêncio — a visita ouve um único “dum” abafado e nada mais. 6. Na caçamba, o operador abre o interruptor da bobina: o magnetismo some, o ferro cai. O alumínio segue na esteira porque os ímãs — de pedra ou feitos de corrente — só agarram a família do ferro, e o alumínio nunca respondeu a eles. 7. Que os polos de um ímã feito de corrente seguem o sentido da corrente: inverta um, o outro se inverte. 8. Uma pilha comanda o banho gastando a reserva química dela; reconstruir uma reserva exige energia forçada de fora. Uma pilha que se reabastece com o próprio trabalho que ela paga é a máquina eterna de novo — a conta de energia não pode pagar a si mesma. 9. Pegada: o interruptor fecha, a bobina magnetiza, a bugiganga fica presa. Balanço: corrente mantida, agarrada mantida — o efeito magnético de plantão. Soltada: o interruptor abre sobre a calha, o magnetismo morre, o prêmio cai. 10. Que o eletroímã vive da corrente dele: pilha fraquejando, marcha mais fraca, agarrada mais fraca — o preço de poder ligar e desligar é a dependência. (O ímã de pedra nunca fraqueja — e nunca solta.) 11. Mais voltas, ímã mais forte com a mesma corrente: agarrada mais firme. A outra dose é a própria força da corrente — a intensidade, medida no próximo capítulo. 12. Por exemplo: “Térmico: o fusível, morrendo primeiro e com fidelidade. Magnético: o guindaste de quermesse, agarrando e soltando sob comando. Químico: o pote de banho, prateando colheres com a paciência de uma pilha.”