Todo motor elétrico
transforma energia elétrica em energia de movimento. Existem motores elétricos
nos mais diferentes aparelhos elétricos, como o liquidificador, o ventilador e a
máquina de lavar roupa.
Motores elétricos de um
tanquinho, à esquerda, e de um liquidificador.
Hoje, os mais modernos
motores elétricos são encontrados em veículos, como bondes, ônibus e carros,
que são silenciosos e não poluem a atmosfera, como os motores à combustão.
Em 2016, começaram a
operar no Rio de Janeiro os veículos leves sobre trilhos (VLTs), que se movem
através da eletricidade transmitida através dos trilhos, não de fios entre a
rede elétrica e o veiculo.
VLT em rua do centro do Rio.
Foto retirada da página https://g1.globo.com/rio-de-janeiro/noticia/vlt-comeca-a-operar-neste-sabado-ate-a-central-do-brasil.ghtml
Um pouco da história dos motores e veículos
elétricos
Os motores elétricos
foram desenvolvidos no século XIX a partir dos trabalhos de Volta, que inventou
a pilha, em 1800, Orsted, que descobriu a relação entre eletricidade e magnetismo,
em 1820, e Faraday, o primeiro a construir um motor elétrico, em 1821.
Esquema do motor de Faraday, à
esquerda, e uma foto de uma réplica.
Em 1827, o padre
beneditino e cientista húngaro Ányos Jedlik inventou um motor elétrico que,
ligado a um sistema de rodas, movia um pequeno carrinho.
Porém, o primeiro uso
prático de um motor elétrico aconteceu apenas em 1834, quando o cientista russo
Moritz Von Jacobi utilizou um motor elétrico para mover um barco.
Desenho do motor de Jacobi, de
1834.
O motor de Jacobi
pesava um pouco mais de 5 kg, possuía uma potência de 15 W e produzia
movimentos de quase 6 km/h.
Três anos depois, em
1837, nos EUA, Thomas Davenport obteve a primeira patente americana de um motor
elétrico.
o motor patenteado de
Davenport, de 1837.
Em agosto de 1837,
Davenport apresentou uma versão aprimorada de seu motor, que conseguia realizar
1.000 rotações por minuto e levantava um peso de 100 kg ao longo de 30 cm em um
minuto.
Em 1852, o bonde
elétrico foi inventado nos EUA, e em 1879 o alemão Werner Siemens apresentou o
primeiro projeto de um veiculo elétrico para transporte coletivo, como mostra a
foto abaixo. Em 1882, começou a funcionar em Berlim a primeira linha de bonde
elétrico do mundo.
Foto retirada da página http://www.novomilenio.inf.br/santos/bondem01.htm
No Brasil, o bonde
elétrico chegou em 1892, na cidade do Rio de Janeiro, e apenas em 1900 em
Santos e São Paulo.
A cidade de São Paulo
mudou com a chegada dos bondes elétricos, com obras por todo o centro para
poder implementar postes elétricos e as próprias linhas dos bondes. A primeira
linha, que ligava o centro ao Bom Retiro, circulava em média a 20 km/h.
Na cidade de São
Paulo, em 1949, foi implementado o primeiro trólebus. Hoje a cidade ainda conta
com quase 200 desses veículos (de um total de 15 mil, ou 1,3 % da frota) e 13
linhas. Além de serem mais silenciosos que os ônibus com motor a combustão, não
poluem o ar (http://g1.globo.com/sao-paulo/anda-sp/noticia/2013/06/trolebus-sao-mais-silenciosos-que-onibus-e-nao-poluem-o-ar.html).
Trólebus no centro de São
Paulo.
Neste ano de 2017, a
cidade de São Paulo receberá os primeiros ônibus com bateria elétrica. Aprovada
em 2009 na Câmara Municipal de São Paulo, a lei de Mudanças Climáticas previa
que toda a frota de ônibus de São Paulo fosse elétrica em 2018, o que não será
cumprido. A cidade de Shenzen, na China, com os mesmos 12 milhões de habitantes
do que São Paulo, planeja até o ano que vem ter sua frota de ônibus totalmente
composta por ônibus com baterias elétricas.
Em teste na cidade de
São Paulo, os dois ônibus de bateria elétrica possuem autonomia de 300 km, 100
km a mais do que os ônibus com motor a combustão de álcool (menos poluentes do
que a gasolina ou o diesel), e suas baterias de fosfato de ferro carregam entre
4 e 5 horas (https://g1.globo.com/sao-paulo/noticia/sp-tera-1-onibus-eletrico-brasileiro-neste-mes-mas-nao-cumprira-lei-de-ter-toda-frota-nao-poluente-ate-2018.ghtml).
Hoje, a China é também
a maior produtora de carros elétricos do mundo, e até 2035 espera que 20% de
sua frota seja composta por carros elétricos. Os chineses também são os maiores
compradores de carros elétricos, com 300 mil este ano, três vezes mais do que
os EUA e mais do que a soma de todos os outros países do mundo (http://www1.folha.uol.com.br/mercado/2017/10/1926671-montadoras-aceleram-esforcos-em-carros-eletricos-apos-aposta-da-china.shtml).
Itaipu, primeiro carro
elétrico brasileiro, fabricado em 1972, pela Gurgel.
Com modelos cada vez
mais acessíveis e postos de carregamento sendo espalhados por muitas cidades principalmente
na Europa, os carros elétricos tendem a substituir por completo o carros com
motores à combustão.
http://www1.folha.uol.com.br/mercado/2017/07/1905461-tesla-lanca-carro-eletrico-mais-barato-para-tentar-tornar-modelo-rentavel.shtml
e https://exame.abril.com.br/tecnologia/europa-deve-ganhar-400-estacoes-de-carregamento-de-carro-eletrico/#
Como montar um motor elétrico simples?
Depois de conhecer um
pouco sobre a história de motores e veículos elétricos, é hora de tentar montar
um motor elétrico simples. Para construir um motor elétrico simples, são
necessários os seguintes materiais: uma pilha grande de 1,5 V, dois clipes
grandes, fio de cobre esmaltado, fita isolante, um imã em barra e um imã de
neodímio, como mostra a foto abaixo.
Para a montagem do
motor, cada um dos clipes deve ser ligado em um polo da pilha e preso com uma
fita isolante. Depois, com o fio de cobre esmaltado, foi feito uma bobina,
raspado apenas um dos lados do fio e apoiando-o obre os clipes. Por último, os
imãs foram aproximados da bobina, como mostram as imagens abaixo.
Um cuidado que se deve
tomar nessa etapa do experimento é em relação ao número de voltas (ou espiras)
na bobina. Na imagem abaixo, existem três bobinas, a primeira com 50 voltas,
outra com 20 e a última tentativa com 10 voltas, respectivamente de cima para
baixo.
O campo magnético (B) criado pela corrente elétrica (i) que passa por uma bobina é B=.n.i, em que n é o numero de espiras por comprimento. Assim, quanto maior o número de espiras, maior o campo magnético na bobina, e maior é a força magnética entre o imã o a bobina. Porém, quanto maior o número de espiras, mais pesada a bobina e mais difícil de fazê-la girar. A bobina utilizada tinha 20 espiras.
Uma segunda
dificuldade foi encontrar a melhor posição para que o imã girasse a bobina, na
medida que a força magnética que causa o giro da bobina depende da inclinação
do campo magnético do imã sobre a corrente elétrica da bobina.
Como funciona um motor elétrico simples?
A pilha é uma fonte de
tensão que faz uma corrente elétrica circular pelos clipes e pela bobina. A
componente magnética da força de Lorentz é quem permite explicar o giro da
bobina num motor simples como o construído.
A força magnética
relaciona cargas em movimento na bobina com o campo magnético do imã, ou ainda
a corrente elétrica que passa pela bobina com o campo magnético do imã. Por
causa do caráter vetorial dessa força o sentido e a direção do campo magnético,
da corrente elétrica e da força magnética estão relacionados através da regra
da mão esquerda, como mostra a imagem abaixo.
Imagem retirada da Apostila 3
de eletricidade do GREF.
Analisando o que
acontece na bobina através da regra da mão esquerda, obtemos a seguinte relação
entre a força magnética (F), o campo magnético do imã (B) e a corrente elétrica
(i):
Assim, nessa situação,
a força magnética sobre o ponto superior da figura acima na bobina é “para
fora”, enquanto, porque o sentido da corrente elétrica muda no ramo inferior da
bobina, a força magnética muda de sentido e é “para dentro”, o que faz a bobina
da figura acima girar do alto para a parte de baixo da imagem acima. Agora,
depois de meio giro, teríamos a seguinte configuração na bobina:
Assim, depois meio
giro, porque muda o sentido da corrente elétrica sobre os ramos superior e
inferior da bobina, a bobina tende a girar em sentido contrário, ou seja, de
baixo para a parte superior da imagem acima. Nessa situação, portanto, porque a
bobina gira em sentido contrário, o que aconteceria é a que bobina daria
meias-voltas, não conseguindo dar uma volta completa. Para que isso aconteça,
devemos raspar apenas um dos lados do fio da bobina em contato com os clipes,
exatamente para interromper o contato da bobina com os clipes, não passar
corrente elétrica por ela e força magnética sobre a bobina girá-la apenas em um
sentido, permitindo seu giro completo.
Um motor elétrico pode também ser transformado
em um gerador elétrico
Se em um motor
elétrico o que existe é a transformação de energia elétrica em energia
cinética, um gerador elétrico transforma energia cinética em energia elétrica.
O que muda, portanto, é o sentido da transformação da energia e, com um motor,
podemos gerar eletricidade e, com um gerador, podemos construir um motor.
Um exemplo de
transformação de motor (leitor de DVD) em gerador pode ser visto nas imagens
abaixo. Ligando ao motor um LED e girando suas engrenagens, o LED acende.
Isso acontece porque
as partes de um gerador e um motor são as mesmas: ambos possuem bobinas e imãs
(ou eletroímãs). O motor da imagem acima possui um imã, como pode ser visto com
a deflexão da agulha da bússola ao aproximá-lo dela.
A imagem abaixo mostra
as partes internas de um gerador e, como dissemos, é fácil encontrar um sistema
de bobinas e um imã.
Imagem retirada do material de
Física do Curso de Formação de Professores (2010) oferecido pela Escola de
Formação da SEE – SP.
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