Galvanômetro experimental (ART546)

Projetos simples que possam ser usados como temas transversais para o ensino de ciências são muito procurados pelos professores do ensino fundamental e médio. O projeto que descrevemos aqui, já usado em escolas com sucesso, é ideal para as terceiras e quartas séries do ensino fundamental, sendo implantado com facilidade e com poucos componentes de baixo custo. Com ele, além da verificação do efeito magnético da corrente elétrica, diversos experimentos envolvendo tecnologia podem ser programados.

Um galvanômetro consiste num sensível detector de correntes elétricas. Capaz de acusar a passagem de correntes de milionésimos de ampère, o detector que descrevemos pode ser usado em alguns projetos interessantes como:

* Detector de mentiras

* Detector de energia de fontes alternativas

* Detector fotoelétrico

 

Os componentes usados são absolutamente comuns podendo ser obtidos de aparelhos elétricos fora de uso. Trata-se de montagem ideal para se integrar tecnologia ao ensino de ciências, usando material alternativo.

Na figura 1 mostramos a elaboração do projeto por alunos do Colégio Mater Amabilis em Guarulhos - SP. Nessa foto vemos um grupo de estudantes montando os seus galvanômetros para a posterior realização de experimentos.

 

Alunos montando o galvanômetro experimental.
Alunos montando o galvanômetro experimental.

 

 

De acordo com o nível dos estudantes, experimentos com diversos graus de dificuldade podem ser programados, chegando ao ensino médio com a elaboração de gráficos de sensibilidade e até mesmo a determinação da Lei de Ampère.

 

O Projeto

Partindo do efeito magnético da corrente elétrica (que ocorre sempre), descoberto por Oersted, para concentrar esse campo, enrolamos um fio esmaltado de modo a formar uma bobina.

Dentro dessa bobina, auto-sustentada, penduramos uma agulha através de uma linha de modo que ela tenha plena liberdade de movimento, conforme mostra a figura 2.

 

 

O princípio de funcionamento
O princípio de funcionamento

 

 

Essa agulha é previamente imantada, esfregando-se a mesma num imã, de modo que ela passa a responder com mais facilidade à presença de campos magnéticos.

Quando uma corrente elétrica passa pelo bobina, o campo magnético criado, atua sobre a bobina movimentando-a. Pela intensidade do movimento, podemos ter uma idéia da intensidade da corrente na bobina.

 

Um Pouco de História

Foi o professor dinamarquês Hans Christian Oersted que descobriu que uma corrente elétrica criava campos magnéticos.

No seu experimento, mostrado na figura 3, quando a chave era fechada estabelecendo uma corrente no circuito, o campo criado em torno do fio deflexionada a agulha da bússola. Essa agulha se movia então de modo a ficar paralela às linhas do campo, ou seja, perpendicular ao fio percorrido pela corrente.

 

 

Verificando o caminho da corrente
Verificando o caminho da corrente

 

 

Posteriormente, foi descoberto que a intensidade do campo magnético poderia ser aumentada se o fio fosse enrolado de modo a formar uma bobina, conforme mostra a figura 4.

 

 

O fio enrolado aumenta o campo.
O fio enrolado aumenta o campo.

 

 

A descoberta foi então usada para a elaboração de diversos tipos de dispositivos elétricos como os motores, solenóides e os galvanômetros.

Os galvanômetros modernos, usados em muitos instrumentos de painel (aqueles que têm uma agulhinha que se move) é o mesmo que usaremos em nosso projeto.

Na figura 5 temos um desses galvanômetros em corte. Quando uma corrente percorre a bobina montada num tambor no qual existe um ponteiro, o campo do imã interage com o campo criado pela corrente aparecendo uma força.

 

 

Um galvanômetro por dentro.
Um galvanômetro por dentro.

 

 

Essa força move o tambor deflexionando o ponteiro proporcionalmente à intensidade da corrente.

O galvanômetro que vamos montar é muito sensível, mas mesmo assim daremos algumas sugestões para aumentar ainda mais essa sensibilidade.

 

Construção

Na figura 6 temos os planos de construção do galvanômetro.

 

 

Como montar o galvanômetro experimental.
Como montar o galvanômetro experimental.

 

 

A bobina é enrolada em torno de um objeto redondo de 7 a 10 cm de diâmetro como referência. Uma latinha de refrigerante é uma boa referência.

Essa bobina consiste em 10 a 10 voltas de fio esmaltado de 22 a 26 AWG ou mesmo fio rígido comum fino. Fios muito finos não são recomendados pois a bobina pode se deformar com muita facilidade até mesmo com o peso da agulha.

Para manter as espiras unidas usamos linha comum de costura, mas também pode ser usada fita isolante.

A bobina é fixada numa base de papelão de aproximadamente 12 x 12 cm. Fita isolante ou mesmo cola pode ser usada para fixação dessa bobina.

Para a conexão da bobina é usada uma barra de 2 terminais com parafusos. Veja que no ponto em que a bobina é conectada aos terminais, o fio deve ser raspado.

Os fios esmaltados são isolados por uma finíssima camada de esmalte que deve ser removida neste ponto para haver o contacto elétrico. Sem isso a corrente não passa e o galvanômetro não funciona.

A agulha de 5 a 7 cm de comprimento é pendurada no meio da bobina e perfeitamente equilibrada. Esfregue-a antes num imã para magnetizá-la.

Com isso o galvanômetro estará pronto para ser usado.

 

 

5 a 10 m de fio esmaltado - ver texto

Agulha de 6 a 7 cm

Pedaço de papelão de 12 x 12 cm

Barra de 2 terminais com parafusos

Diversos:

Linha, fita adesiva ou cola.

 

 

 

Testando o Galvanômetro

Para testar o circuito, basta encostar os terminais de uma pilha nos terminais do galvanômetro usando dois pedaços de fio, conforme mostra a figura 7.

 

 

Testando o galvanômetro.
Testando o galvanômetro.

 

 

No entanto, uma forma mais elaborada de testar o galvanômetro pode ser feita com o circuito que verifica a sua sensibilidade, mostrado na figura 8.

 

 

Um circuito para ser testado.
Um circuito para ser testado.

 

 

Inicialmente, ajuste o potenciômetro para seu valor máximo. Isso significa movimentar o cursor todo para a direita. Com um potenciômetro de 10 k ?, isso significa uma corrente de teste de aproximadamente 0,3 mA ou 300 uA (300 milionésimos de ampère).

Tocando o terminal com os fios do suporte de pilha, observe se a agulha se move. Se ela se mover, seu galvanômetro pode detectar uma corrente tão pequena como 300 uA.

Se não se mover, movimente o cursor de potenciômetro, aproximadamente 1/3 do giro a partir da posição em que se encontrava. A resistência no circuito será gora 7 000 ?, indicando uma corrente de 0,5 mA ou 500 uA. Repita o teste.

Se a agulha se mover, seu galvanômetro, pode detectar 500 uA. Se não, faça novamente o teste com 2/3 do giro, ou 3500 ?, o que resulta em 1 mA. Prossiga até obter o movimento da agulha.

Com o potenciômetro todo fechado teremos apenas a resistência R1 e a corrente de prova deve ser de aproximadamente 6 mA.

Para se obter uma boa precisão na determina da sensibilidade, podemos usar um multímetro comum como referência, conforme mostra a figura 9.

 

 

O multímetro como referência.
O multímetro como referência.

 

 

 

Circuito de Teste

B1 - 3 V - 2 pilhas pequenas com suporte

R1 - 330 ? x 1/8 W - resistor - laranja, laranja, marrom

P1 - 10 k ? - potenciômetro linear

 

Diversos:

Ponte de terminais, fios, solda, etc.

 

 

Explorando o Projeto

Usando o galvanômetro podem ser realizados alguns projetos interessantes, ideais para escolas. Podemos usá-lo em circuitos completos ou ainda como simples detector de energia elétrica.

 

Temas Transversais

Uma primeira aplicação do galvanômetro é na detecção da energia gerada por fontes alternativas de energia. Na figura 10 temos duas fontes experimentais, usando um limão ou laranja (a) e a outra duas moedas de metais diferentes (b).

 

 

Testando fontes alternativas.
Testando fontes alternativas.

 

Na primeira, os metais diferentes podem ser o cobre e o zinco ou o cobre e o alumínio.

Explique o funcionamento das pilhas e porque o cobre é o pólo positivo nessas células (conceito de eletronegatividade). Essas células podem fornecer alguns miliampères sob tensão entre 0,3 e 1,0 Volts.

Tocando os terminais do galvanômetro nessas células, a agulha deve se mover indicando a produção de energia elétrica.

Outra fonte de energia alternativa é a célula solar. Uma célula do tipo encontrado em calculadoras fora de uso ou mesmo relógios de mesma serve para o experimento.

Ligue-a no galvanômetro, conforme mostra a figura 11 e mostre que ao iluminar a célula a agulha do galvanômetro se move.

 

Experimento com uma célula solar.
Experimento com uma célula solar.

 

Finalmente, conforme mostra a figura 12, um pequeno motor de corrente contínua pode ser usado como dínamo. Girando seu eixo, a agulha vai se mover indicando a produção de energia.

 

Experimento com a rotação de um motor.
Experimento com a rotação de um motor.

 

Aumentando a Sensibilidade

Para os leitores que já têm um domínio maior da eletrônica, podemos sugerir um circuito amplificador que aumenta a sensibilidade do galvanômetro, conforme mostra a figura 13.

 

Aperfeiçoando o galvanômetro.
Aperfeiçoando o galvanômetro.

 

Com esse circuito, correntes entre 3 e 5 milionésimos de ampère podem ser detectadas.

Na figura 14 temos a montagem desse circuito numa ponte de terminais, mas o leitor também pode usar uma matriz de contactos.

 

Montando o circuito numa ponte de terminais
Montando o circuito numa ponte de terminais

 

Para testar a sensibilidade, proceda como no circuito básico, mas com um potenciômetro de 1 M ?, entre os terminais de entrada.

Observe que segurando entre os dedos os fios de entrada já é possível fazer com que a agulha do galvanômetro se mova. Esse movimento é dado pela corrente que circula pela sua pele.

Como essa corrente depende de seu estado nervoso também, é possível usar esse circuito como detector de mentiras. Se ao fazer uma pergunta a alguém e essa pessoa mudar de comportamento nervoso (por ser uma mentira) a resistência varia e a agulha se move indicando isso.

 

 

Aumentando a Sensibilidade

Q1 - BC548 - transistor NPN de uso geral

R1 - 100 ? x 1/8 W - resistor - marrom, preto, marrom

R2 - 10 k ? x 1/8 W - resistor - marrom, preto, laranja

B1 - 3 V - 2 pilhas pequenas com suporte

G - Galvanômetro (montado neste projeto)

 

Diversos:

Ponte de terminais, fios, solda, pontas de prova ou eletrodos, etc.

 

Algumas idéias adicionais

O projeto básico pode ser modificado, utilizando-se uma bússola comum em lugar da agulha. Dependendo da bússola, maior sensibilidade pode ser obtida.

Uma possibilidade seria colocar a bússola dentro da bobina, conforme mostra a figura 15.

 

Experimento com uma bússola.
Experimento com uma bússola.

 

Outra idéia inicial seria colocar a bússola dentro da bobina, conforme mostra a figura 16.

 

A mesma bússola dentro da bobina.
A mesma bússola dentro da bobina.

 

Neste caso, a bobina é dividida em duas, mas o leitor deve tomar cuidado para manter o sentido dos enrolamentos pois, pelo contrário, o campo de uma pode cancelar o da outra e o que queremos é que eles se somem.

A sensibilidade desse galvanômetro será determinada da mesma forma que no projeto básico.

Como indicação final, recomendamos que a bobina seja posicionada de tal forma que, com a atuação do campo magnético da terra, a agulha fique inicialmente na posição paralela à mesma. Nesse ponto teremos a sua maior sensibilidade.

Também deve ser evitada a presença de qualquer imã ou objeto que produza campos magnéticos fortes nas proximidades tais como alto-falantes de aparelhos de som, motores de corrente contínua, etc.

 

 

Mais fotos:

Testando o galvanômetro
Testando o galvanômetro

 

Uma ajudinha do professor...
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Todos trabalhando...
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A professora também ajuda...
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