Para conhecer a história, construir e entender o funcionamento de um motor elétrico

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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.


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.

A partir do minuto 10 do vídeo acima, você ver o funcionamento de um réplica do motor de Faraday.


Para construir um motor elétrico de Faraday, leia também o trabalho http://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F809_sem1_2007/RaphaelS-Saa_F609_RF2.pdf.

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.


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.


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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