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MOTOR HOMOPOLAR SIMPLES
1. Introdução
O motor homopolar foi o primeiro motor elétrico a ser construído. Seu
funcionamento foi demonstrado por Michael Faraday em 1821 no Royal
Institution em Londres
Este motor funciona sem a necessidade de um comutador, por rotação
ao longo de um eixo fixo que é paralela ao externo campo magnético produzido
por um ímã permanente. O nome homopolar indica que a polaridade elétrica do
motor não muda (isto é, que não requer a comutação).
2. Objetivo
Construir um motor homopolar de Faraday, verificando o seu principio de
funcionamento.
3. Fundamentação Teórica
Campos magnéticos podem ser criados por ímãs ou por correntes
elétricas ao percorrer um condutor. Trabalho mecânico pode ser gerado
quando a corrente interage com um campo magnético externo, devidamente
orientado, presente na região na qual o condutor se encontra. O processo é
semelhante à atração e repulsão de dois ímãs. Em condições adequadas, é
possível até mesmo produzir um movimento periódico no condutor: essa é à
base de funcionamento dos motores elétricos.
Neste experimento, construiremos um motor elétrico extremamente
simples e veloz usando materiais de fácil aquisição. Seu princípio de
funcionamento se baseia na força magnética que surge sobre uma carga
elétrica q que se move com velocidade v na presença de um campo indução r
magnética B externo. Como sabemos, o módulo dessa força será dado por:
F=q v B sen (θ)
Sendo o ângulo formado pelos vetores v e B. Se o ângulo entre esses
vetores for igual a 90º, isto é, se a velocidade for perpendicular ao campo,
obteremos a força máxima e a expressão anterior se transforma em:
F=q v B
A construção do nosso motor garantirá que tais vetores sejam
aproximadamente perpendiculares e a força magnética resultante produza um
torque adequado para a rotação do motor.
Podemos estender esse conceito para um fluxo contínuo de cargas
elétricas, ou seja, para correntes elétricas. Nesse caso a força que uma
corrente elétrica I sofre devido à presença de um campo magnético B é dada
por:
Onde ld aponta na mesma direção da corrente I. Se a corrente elétrica I
e o campo magnético B forem constantes, então a fórmula acima se reduz à:
F = B.I.L.sen (φ), onde L é o comprimento do fio que carrega a corrente elétrica
e φ é o ângulo entre B e I, sendo que a direção da força é perpendicular tanto à
corrente I quanto ao campo B.
Para entendermos melhor o campo magnético de um ímã cilíndrico,
considere a figura a seguir:
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Figura 1 – Linhas de campo em um ímã cilíndrico.
Da figura acima vemos que as linhas de campo vão do pólo norte do ímã
para o pólo sul, e formam sempre linhas fechadas. A tangente a essas linhas
em cada ponto indica a direção do vetor campo magnético. Como o ímã é
cilíndrico, esse mesmo esquema de linhas de campo estará presente se o
girarmos em torno de seu eixo de simetria (eixo vertical da figura). Note que na
região acima do pólo norte as linhas de campo são simétricas, e se abrem,
enquanto que as linhas que chegam ao pólo sul estão se fechando
(convergindo). Por isso é crucial que o fio condutor esteja na região de cima do
ímã, pois, pela equação 2, vimos que o pólo norte do ímã fará o fio girar em um
sentido, enquanto que o pólo sul fará o fio girar em sentido contrário.
Por fim, note que fizemos nossa análise considerando a força entre um
fio com corrente elétrica e um campo magnético externo. Essa abordagem é
equivalente a dizermos que o fio condutor gera um campo magnético circular
ao seu redor, e esse campo magnético do fio interage com o campo magnético
do ímã, produzindo rotação e verificando assim a teoria de Ørsted.
Figura 2 – Esquema mostrando as direções da corrente elétrica (velocidade) e do campomagnético, além da direção da força resultante.
Na figura acima, vimos que a força será perpendicular à corrente e ao
campo magnético. Nesse caso o campo magnético é vertical (perpendicular à
superfície superior do ímã) – isso pode ser visto da figura 2, pois esse também
é um ímã cilíndrico, só que agora a altura do ímã é menor que seu diâmetro, o
que faz com que o campo magnético na região imediatamente acima do pólo
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norte seja praticamente vertical – e a corrente elétrica é horizontal (direção
radial do ímã). Logo, a direção na qual aponta a força é tangencial (entrando na
folha), fazendo com que o ímã, juntamente com o parafuso, comece a girar. A
corrente elétrica gera um campo magnético circular ao seu redor, o que faz
com que interfira com um campo magnético externo, surgindo uma força
tangencial nos portadores de carga.
4. Materiais:
Parafuso;
Pilha (alcalina) de 1,5 V;
Fio de cobre (fino) de aproximadamente 20 cm de comprimento,
desencapado nas extremidades;
Um ímã de neodímio (é um pequeno ímã cilíndrico, prateado e muito
poderoso que pode ser encontrado e extraído facilmente de fones de ouvido
ou de brinquedos descartados).
Figura 3
5. Procedimentos Experimentais
Coloque o ímã de neodímio na cabeça do parafuso.
Encoste a ponta do parafuso no terminal positivo (saliência) da pilha.
Encoste uma extremidade do fio no terminal negativo da pilha e o mantenha
nessa posição, pressionando com o dedo.
Encoste levemente a outra extremidade do fio à lateral do ímã de neodímio.
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Figura 4
Uma vez fechado o circuito, as cargas elétricas fluirão radialmente pela
face superior do disco (ímã), onde existe um campo magnético
aproximadamente perpendicular. De acordo com a regra da mão-direita, a
direção da força magnética resultante será tangencial ao disco. Ela dará origem
a um torque que fará o conjunto girar em torno do eixo definido pelo parafuso
(ver figuras abaixo).
Figura 5 Figura 6
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6. Conclusão
Como qualquer outro motor elétrico, o motor homopolar é impulsionado
pela força de Lorentz. Esta força induz um binário em torno do eixo de
rotação. Como o eixo de rotação é paralelo ao campo magnético externo, não é
necessário a comutação para o condutor continuar a rodar.
Como a maioria das máquinas eletromecânica, um motor homopolar é
reversível: se o condutor está ligado mecanicamente, em seguida, ele irá
operar como um gerador homopolar, produzindo uma corrente contínua de
tensão entre os dois terminais do condutor.
REFERÊNCIAS:
http://motoreletrico.blogspot.com.br/
http://www.wikipedia.com
http://www.dvorak.org/blog/?p=6521
http://www.evilmadscientist.com/article.php/HomopolarMotor
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