Motores elétricos e força magnética.

Recomendações aos alunos:
* Leiam com atenção e observem os exemplos.
* Assistam às aulas pelo CMSP, TV, vídeo aulas na plataforma Stoodi e façam pesquisas em livros didáticos ou pela internet.
* Não esqueçam de identificar as atividades ao envia-las, com nome, ano, turma, n° de chamada ( se possível )
* Enviem as atividades para o E-mail: josecorreia@prof.educacao.sp.gov.br
* Data de entrega: até 21/07.

Motores elétricos.

São máquinas destinadas a realizarem diversos tipos de trabalho. Seu princípio básico de funcionamento equivale em transformar energia elétrica em energia mecânica. Ou seja, esses motores captam energia elétrica da rede na qual estão conectados e transformam em movimento. São muito comuns motores desses tipos que possuem um eixo central rotatório.

Um exemplo muito simples é o ventilador.

 

Na extremidade externa do eixo central do motor elétrico de um ventilador fica instalada uma hélice que impulsiona o ar produzindo uma refrescante “brisa”. Esse motor aproveita a energia proveniente da rede elétrica para transformá-la em movimento do ar através da rotação do eixo.

FUNCIONAMENTO DO MOTOR ELÉTRICO

Os motores elétricos funcionam através da associação dos efeitos da eletricidade e do magnetismo. A corrente elétrica que atravessa um condutor cria um campo magnético ao entorno deste com polaridade idêntica ao de um ímã natural. Quero dizer, que os pólos magnéticos de um ímã artificial obedecem aos mesmos princípios dos pólos do ímã natural. Para que o motor elétrico funcione é necessária a presença de campos magnéticos que se oponham ao longo do tempo. Um dos campos é criado por um ímã e outro por corrente elétrica percorrendo um condutor.

Neste estudo, vamos considerar os motores de corrente contínua. Embora sejam mais antigos e caros são bastante fáceis de explicar do que os motores de corrente alternada.

Quando uma espira (fio enrolado e percorrido por corrente elétrica) encontra-se imersa em um campo magnético ela fica submetida a uma força magnética que tende a fazê-la girar. A força sobre a espira resulta da interação dos campos magnéticos do ímã e da própria espira.

Mas não é só isso!

Motores de corrente contínua possuem duas peças fundamentais chamadas escovas e comutadores. Essas peças podem ser observadas na figura 1 acima.

Mas, qual a importância dessas duas peças ?

É o seguinte:

Primeiramente devemos saber que a corrente contínua é aquela que percorre o condutor sempre em um mesmo sentido. Isso significa que quando a espira estiver imersa no campo magnético de um ímã ela iniciará o movimento de giro mas não girará completamente devido à interação entre seu campo magnético e o do ímã onde ela está imersa.

As escovas são os elementos que levam a corrente elétrica até as espiras. Os comutadores são elementos que estão conectados às extremidades das espiras e giram junto com elas. Entretanto, os comutadores possuem fendas opostas que desligam a corrente elétrica que percorre a espira no momento em que seu movimento de giro diminuiria devido à redução da força magnética. Porém, mesmo com a corrente elétrica desligada, a espira continua a girar por inércia até que a corrente elétrica seja ligada novamente pelos comutadores, no momento em que a força magnética por favorável ao movimento da espira. Esse liga-desliga de corrente elétrica continua com certa frequência fazendo com que a espira do motor gire continuamente.

Continue lendo para entender melhor a força magnética que age sobre a espira do motor elétrico!

FORÇA MAGNÉTICA SOBRE CORRENTE ELÉTRICA.

Uma carga elétrica imersa em um campo magnético sofre a influência desse campo por meio de um interação chamada força magnética.

A intensidade dessa força depende da intensidade do campo magnético, da corrente elétrica que percorre o condutor, do comprimento do condutor imerso no campo e do ângulo entre o condutor e o campo.

Na construção de um motor elétrico pode-se fazer com que esses ângulos assumam valores específicos de tal maneira que só exista força magnética na parte da espira que forma ângulo de 90° com o campo.

Na figura 2 acima podemos observar que só há força magnética nos trechos da espira que são perpendiculares às linhas do campo magnético criado pelo ímã. Além disso, é nesse momento que a força é máxima. Nesse momento também, em se tratando de motor de corrente contínua, o comutador desliga a corrente e a espira gira meia volta por inércia. Em seguida a corrente é religada e o processo recomeça.

Força magnética.

Se imaginarmos um fio condutor percorrido por corrente, haverá elétrons livres se movimentando por sua secção transversal com uma velocidade . No entanto, o sentido adotado para o vetor velocidade, neste caso, é o sentido real da corrente ( tem o mesmo sentido da corrente). Para facilitar a compreensão pode-se imaginar que os elétrons livres são cargas positivas.

Como todos os elétrons livres têm carga (que pela suposição adotada se comporta como se esta fosse positiva), quando o fio condutor é exposto a um campo magnético uniforme, cada elétron sofrerá ação de uma força magnética.

Mas se considerarmos um pequeno pedaço do fio ao invés de apenas um elétron, podemos dizer que a interação continuará sendo regida por , onde Q é a carga total no segmento do fio, mas como temos um comprimento percorrido por cada elétron em um determinado intervalo de tempo, então podemos escrever a velocidade como:

Ao substituirmos este valor em  teremos a força magnética no segmento, expressa pela notação :

Mas sabemos que  indica a intensidade de corrente no fio, então:

Sendo esta expressão chamada de Lei Elementar de Laplace.

A direção e o sentido do vetor  são perpendicular ao plano determinado pelos vetores  e , e pode ser determinada pela regra da mão direita espalmada, apontando-se o polegar no sentido da corrente e os demais dedos no sentido do vetor .

Regra da Mão Esquerda

A regra da mão esquerda, chamada de “regra da mão esquerda de Fleming”, também é usada para encontrar o sentido da força magnética.

O dedo polegar representa o sentido da força magnética (F). Já o dedo indicador representa o campo magnético (B), ou seja, o sentido da corrente elétrica. O dedo médio indica o sentido da velocidade (v).

Para compreender melhor, veja a figura abaixo:

A força magnética é calculada através da fórmula:

F = B . i . l . senΘ

Onde: 

F = força magnética (newton(N))

B = campo magnético ( tesla(T))

i = corrente elétrica (ampère(A))

l = comprimento do fio (metro(m))

Exemplos.

1) Um fio de comprimento 1,5 m, que conduz corrente elétrica de 0,2 A, está mergulhado em uma região de campo magnético. Determine o valor da força magnética sobre o fio sabendo que o valor do campo magnético é de 10 T e que a direção do fio forma um ângulo de 30° com a direção do campo.

Resolução:

l = 1,5m

i = 0,2A

F= ?

B = 10T

sen 30° = 0,5

F = B . i . l . sen 30°

F = 10 . 0,2 . 1,5 . 0,5

F = 1,5N

2) Um condutor retilíneo é percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i = 2,0A, ao ser imerso em um campo magnético uniforme de intensidade B = 0,0002T, qual a força magnética num trecho deste condutor, de comprimento l = 20cm, nos seguintes casos:

a) 

Para os casos onde o ângulo formado entre o campo magnético e a corrente é igual a 0, a força exercida pelo campo é 0, pois:

Mas sen0° =0, portanto, F=0.

b) 

Para os casos onde o ângulo formado entre o campo magnético e a corrente é reto (90°), a força exercida é dada por:

Mas sen90° =1, então:

c) 

No caso onde o ângulo formado entre o campo magnético e a corrente é diferente de 0°, 90° e seus equivalentes nos demais quadrantes, usamos:

Clique no link abaixo e assista ao vídeo.

https://www.youtube.com/watch?v=yX4hxhOLl7U

Agora faça você.

Exercícios.

1) Das afirmações:

I. Uma carga elétrica submetida a um campo magnético sofre sempre a ação de uma força magnética.

II. Uma carga elétrica submetida a um campo elétrico sofre sempre a ação de uma força elétrica.
III. A força magnética que atua sobre uma carga elétrica em movimento dentro de um campo magnético é sempre perpendicular à velocidade da carga.

Aponte abaixo a opção correta:

a) Somente I está correta.
b) Somente II está correta.
c) Somente III está correta.
d) II e III estão corretas.
e) Todas estão corretas.

2) Um condutor retilíneo de comprimento 0,5 m é percorrido por uma corrente de intensidade 4,0 A. O condutor está totalmente imerso num campo magnético de intensidade 10^-3 T, formando com a direção do campo um ângulo de 30°. Sendo            sen 30°= 0,5, a intensidade da força magnética que atua sobre o condutor é:

a) 10³ N
b) 2 . 10^-2 N
c) 10^-3 N
d) 10^-4 N
e) Nula

3) Um fio condutor retilíneo tem comprimento L = 16 metros e transporta uma corrente elétrica contínua, igual a I = 0,5 A, em um local onde existe um campo magnético perpendicular e uniforme, cujo módulo vale B = 0,25 Tesla, conforme indica a figura abaixo. O módulo da força magnética exercida pelo campo magnético sobre o fio será:

a) 0,2 N

b) 2 N

c) 200 N

d) 10 N

e) 20 N

4) Uma barra fina de cobre, de comprimento L = 0,5 m e massa m = 100 g, está inicialmente suspensa por dois fios de massa desprezível. A barra está imersa em campo magnético uniforme e de intensidade B = 10 T, cuja orientação é perpendicular e entrando no plano da folha. A gravidade no local possui módulo g = 10 m/s². Para anular a tensão nos fios que suportam a barra de cobre, é necessário que uma corrente I seja aplicada no sentido indicado na figura abaixo. O valor da corrente I, em ampères, deve ser

a) 0,6

b) 0,4

c) 0,3

d) 0,5

e) 0,2

5) Se a força magnética que atua sobre um fio retilíneo, de 10 cm e mergulhado perpendicularmente em um campo magnético de 10 T, é de 2 N, o valor da corrente elétrica que flui pelo fio em ampère (A) é?

Observação: perpendicular é formar um ângulo de 90°, e sen 90° = 1.

a) 2

b) 0,2

c) 0,3

d) 1

e) 0,1