O experimento de Oersted - determinando o campo magnético da Terra utilizando uma bússola

Wenderson Rodrigues Fialho da Silva - Viçosa, ‎22‎ de ‎julho‎ de ‎2021.

OBJETIVO

           Realizar uma demonstração sobre o experimento de Oersted e explorar a montagem experimental para estimar a magnitude do campo magnético da terra.

CONTEXTO TEÓRICO

Hans Christian Oersted (1777-1851) foi um físico e químico dinamarquês. Ele descobriu, em 1820, que a passagem de corrente elétrica por um fio condutor criava ao seu redor um campo magnético, cujas linhas de campo são circuncêntricas, contidas em planos perpendiculares ao condutor, com centro nele e cujo sentido é determinado pela regra da mão direita. O campo magnético interagia com a agulha de uma bússola (imã) posta próximo ao fio, a qual sofria uma deflexão. Tal experimento foi fundamental para o desenvolvimento e unificação da eletricidade e do magnetismo, o que contemporâneos de Oersted, como André Marie Ampère (1775-1836) e, posteriormente, James Clerk Maxwell (1831-1879), puderam explorar e matematizar em uma relação quantitativa, hoje conhecida como lei de Ampère-Maxwell.

Figura 1 – (A) Oersted em uma demonstração de sua descoberta. (B) André Marie Ampère e, em (C), o ainda jovem James Clerk Maxwell.

Devido a existência de correntes elétricas no interior da Terra, criadas, principalmente, pelo movimento do magma eletricamente carregado, nosso planeta se apresenta como um imã natural, possuindo um campo magnético. Aqui, com auxílio da montagem realizada para reprodução do experimento de Oersted e da lei de Ampère para um fio reto e longo (equação (1) abaixo), será estimado a magnitude de uma das componentes horizontais do campo magnético da Terra, a qual será comparada com aquela medida por um aparelho celular com medidor de campo magnético embutido, comumente encontrado na maioria dos smartphones.

$$ B =\frac{\mu_{0}i}{2πr}, \qquad (1) $$

onde $B$ é o campo magnético a uma distância $r$ do fio, $\mu_{0} = 1,256×10^{-6}T.m/A$ é a permeabilidade magnética no vácuo e $i$ é a corrente elétrica.

EXPERIMENTO 1 – O experimento de Oersted

MATERIAIS

        Fonte elétrica variável de corrente continua (0-12V); bússola; fio de cobre 4mm² acoplado a suporte de MDF.                         

METODOLOGIA

        Posicione a bússola sobre uma superfície horizontal longe de campos magnéticos (imãs). Alinhe a agulha da bussola na direção norte-sul. Posicione o suporte de modo a deixar o fio paralelo a agulha da bússola, cerca de 1 cm acima da mesma. Com a montagem realizada, confira se a fonte está em 0 volts e, posteriormente, conecte seus terminais aos do suporte. O resultado da montagem pode ser visualizado nas imagens da figura (2) abaixo. Um esquema ilustrativo das ligações elétricas é apresentado na figura (3).

Figura 2 - Montagem realizada para execução do experimento de Oersted e para medida do campo magnético da Terra.

Por fim, ligue a fonte elétrica que mostrará zero volts. Lentamente, aumente a tensão e observe a agulha da bússola. Ao final, desligue a fonte. 

QUESTIONÁRIO

1.      O que ocorre com a bússola?

2.      Invertendo as ligações nos terminais do suporte, o que muda no comportamento da bússola?

3.      Variando a tensão eletrica aplicada ao fio, consequentemente, a corrente elétrica, qual comportamento da agulha da bússola ?

EXPERIMENTO 2 – Estimativa do campo magnético da Terra utilizando uma bússola.

MATERIAIS

            Mesma montagem adotada no experimento anterior; régua ou paquímetro; celular com bússola digital (sensor de campo magnético) com aplicativo Magnetometer instalado.     

METODOLOGIA

            Com a fonte elétrica em 0 volts, ligue-a, aumentando a tensão elétrica de modo a observar uma deflexão na agulha da bússola de um ângulo . Anote a corrente elétrica  relacionada a tal desvio. Desligue a fonte. Com auxílio de uma régua ou paquímetro, meça a distância  do centro do fio ao centro da agulha da bússola, como na figura (3) abaixo. 

Figura 3 - Esquema representativo do circuito e da interação entre os campos $B_{Terra}$ e $B_{aplicado}$ .

        Do esquema da figura (3) acima, vale a equação (2) abaixo:

$$tan (\theta) = \frac{B_{aplicado}}{B_{Terra}}, \qquad (2)$$

            Com auxílio das equações (1) e (2), sendo  na equação (1), determine o campo magnético da Terra. Meça o campo magnético da Terra com auxílio do celular no aplicativo Magnetometer, alinhando a agulha da bússola digital na direção norte-sul. Anote o valor da componente y do campo magnético.

QUESTIONÁRIO

            1.      Compare os valores e discuta os resultados.

            2.      Por que consideramos a componente y do campo magnético para comparação ?

RESULTADOS

        O vídeo abaixo apresenta os procedimentos e resultados experimentais adotados.