Motor Elétrico e Indução Eletromagnética

 

1) O que podemos chamar de motores elétricos?

Os motores elétricos são a principal aplicação das forças magnéticas em condutores. Quando uma corrente elétrica passa por um condutor, é gerado um campo eletromagnético que, por sua vez, interage com o campo magnético produzido por ímãs. Caso o conjunto desses elementos esteja estrategicamente posicionado, ocorrerá a rotação de um eixo (rotor) acoplado ao condutor (estator).

2) O que é um motor elétrico simples?

A medida que a corrente passa pelo condutor, é gerado um campo magnético. Esse campo, por sua vez, interage com o campo produzido pelos polos do ímã. A força magnética gera rotação do eixo.

3) Como é apresentado os motores elétricos reais?

Os motores elétricos do nosso cotidiano (como ventiladores, por exemplo) usam esse princípio de funcionamento. Porém, sua montagem não é tão simples. Os fios são enrolados formando um conjunto de bobinas. Com isso, o campo magnético gerado é mais intenso.

 4) Um campo magnético pode também estabelecer corrente elétrica?

O físico e químico inglês Michael Faraday (1791-1867) achou surpreendente o resultado do experimento de Oersted, o qual havia descoberto que uma corrente elétrica em um fio condutor cria campo magnético ao redor do fio, estabelecendo assim uma conexão entre os fenômenos elétricos e os magnéticos. Faraday tentou fazer o inverso, isto é, gerar uma corrente elétrica por meio de um campo magnético.

5) Experimentos de Faraday:

Faraday realizou diversos experimentos, seu aparato experimental consistia em um anel de ferro envolvido em dois enrolamentos (bobinas) de fios de cobre, conectados a uma bateria e a um galvanômetro (dispositivo usado para medir corrente).

 

Seu principal intento foi, para verificar se uma corrente elétrica pode ser gerada por meio de uma campo magnético, a construção de um solenoide, e ligou os terminais do fio condutor a um galvanômetro e utilizou um ímã em forma de barra, que podia ser introduzido no interior do solenoide. Ao movimentar o imã no meio de uma do solenoide, houve alteração do indicador do galvanômetro ligado à espira, indicando existência de corrente elétrica. Porém, quando o ímã era afastado do solenoide, o ponteiro do galvanômetro também registrava corrente elétrica, só que no sentido oposto ao da situação anterior. Descobrindo assim que, quando se move um ímã em direção a uma bobina condutora (solenoide), uma corrente elétrica percorre-a.

6) Que conclusões úteis Faraday tomou depois dos experimentos?

Com parâmetro nas suas diversas experiências, produzidas semelhantes a acima descrita, Faraday enuncia o Princípio de Indução Eletromagnética, também como conhecido como Lei de Faraday: uma corrente elétrica formada em um condutor causa uma corrente elétrica em um novo condutor conectado ao primeiro, quando o circuito estiver fechado e sujeito a um campo magnético que varia com o tempo. O movimento de um imã produz, em uma espira, uma corrente elétrica, que foi chamada de Corrente Elétrica Induzida Magneticamente.

 

7) Como Faraday explicou a corrente elétrica induzida utilizando o conceito de linhas de campo?

Faraday percebeu que a aproximação do ímã permanente de um solenoide provocava um aumento da quantidade de linhas de campo em seu interior. Quando ímã era afastado o número de linhas no interior do solenoide diminuía. Nas duas situações, há uma alteração do número de linhas do campo magnético que atravessam o solenoide. Assim, Faraday identificou as condições para a indução: uma corrente elétrica é induzida no circuito do solenoide quando ocorre uma variação (aumento ou diminuição) do número de linhas de campo magnético em seu interior. Esse fenômeno é conhecido como variação do fluxo eletromagnético.

Ao aproximarmos o norte magnético da bobina, ela produz um norte magnético que se opõe.

9) Como pode ser caracterizado o fluxo eletromagnético?

A superfície determinada por um condutor fechado, em algum ponto dentro de um campo magnético, é atravessada por linhas de campo definindo assim o fluxo magnético, que se por um motivo qualquer o fluxo variar há surgimento de uma corrente elétrica no condutor. Fluxo eletromagnético, por sua vez, diz respeito à quantidade de linhas de campo magnético que atravessam uma área.

  

O afastamento do norte magnético faz com que a bobina produza um sul magnético.

10) Que transformações de energia ocorrem no fenômeno da indução de corrente elétrica quando a “fonte” do campo magnético é colocada em movimento? No que ela difere de uma bateria?

De acordo com a lei de Faraday, quando há variação de fluxo eletromagnético em algum circuito condutor, como em uma bobina, uma força eletromotriz induzida (tensão elétrica) surge nesse condutor. Dessa forma, a energia cinética de movimento pode ser transformada em energia elétrica como no caso dos geradores elétricos, que são grandes ímãs em movimento que geram corrente elétrica.

Por outro, lado por indução eletromagnética, é possível ocorrer o inverso que acorre nos geradores elétricos, é o caso dos motores elétricos, em vez de converterem energia mecânica cinética em eletricidade, produzem energia mecânica cinética a partir de energia elétrica. Nesse caso, em vez de usarmos a rotação de um eixo para gerar eletricidade, fazemos com que uma corrente elétrica passe através de um eixo enrolado por diversas bobinas, fazendo-o girar.

 

11) Como é obtido o giro completo do eixo num motor elétrico?

Colocando-se vários circuitos elétricos isolados eletricamente uns com os outros, fixados ao eixo, formando bobinas. Elas ficam sob a ação do campo magnético criado pelo ímã permanente. Quando o motor está funcionando, a corrente elétrica não é estabelecida em todos os circuitos ao mesmo tempo, mas em um de cada vez. À medida que o eixo gira e o circuito acoplado ao eixo muda de posição, o circuito que estava ligado é desligado. Posteriormente, um dos outros circuitos é ligado à fonte e uma corrente elétrica é estabelecida, de modo que a ação da força magnética sobre ele mantém o giro do eixo no mesmo sentido. Mesmo num motor mais simples, o que se deve evitar é que os polos opostos do ímã e do eletroímã se encontrem. Isso é possível desligando-se, neste momento, esse circuito elétrico. 

12) Qual a importância principal das descobertas feitas por Faraday em relação a indução eletromagnética?

Faraday demonstrou que a variação de um campo magnético gera corrente elétrica enrolando dois fios em lados opostos de um anel metálico. Ele ligou um dos fios em uma bateria e outro em um medidor de corrente, observando-se assim, um fenômeno chamado de indução magnética e serviu de base para a teoria eletromagnética que foi desenvolvida posteriormente, revolucionando a indústria e o mundo. Atualmente, esse conhecimento é usado para gerar energia elétrica em usinas hidrelétricas. O equipamento usado por Faraday pode ser comparado hoje em dia a um dínamo.

Esquema de um dínamo

 

Atividades:

1) Julgue cada afirmativa como verdadeira (V) ou falsa (F):

a) Quando uma corrente elétrica passa por um condutor é formado um campo magnético. (    )

b) Os motores elétricos são a principal aplicação das forças magnéticas em condutores. (    )

c) Em motores elétricos, o eixo gira pela interação entre eletroímãs e ímãs permanentes. (     )

d) Uma bobina em atrito com o campo magnético no circuito fechado gera uma corrente elétrica. (     )

e) O reconhecimento do fluxo de indução magnética transformou a vida humana, pois tornou viável toda o desenvolvimento e transmissão de energia elétrica de hoje. (    )

f) Uma corrente elétrica é induzida quando um circuito fechado é submetido a uma variação do número de linhas de campo magnético que atravessam a superfície delimitada por ele. (    )

g) As fontes de energia elétrica que têm seu funcionamento da indução magnética podem realizar a transformação de energia elétrica em energia mecânica cinética. (    )

h) Nas pilhas e nas baterias, a energia cinética se transforma em energia elétrica. (     )

2) Para que ocorra indução magnética é suficiente que:

    (A) haja um campo magnético próximo do observador.

    (B) ocorra variação de um campo magnético através de uma espira ou solenoide.

    (C) cargas elétricas interajam com campos elétricos.

    (D) uma corrente elétrica contínua produza uma campo magnético.

 

3) As linhas de indução de um campo magnético são:

    (A) o lugar geométrico dos pontos, onde a intensidade do campo magnético é constante.

    (B) as trajetórias descritas por cargas elétricas num campo magnético.

    (C) aquelas que provocam a indução eletromagnética, quando há variação em sua quantidade.

    (D) aquelas que partem do polo norte de um imã e vão até o infinito. 

 

4) A quantidade de linhas de campo magnético que atravessam uma determinada área de uma região que sofre ação eletromagnética é denominada:

      (A) Corrente de Indução.

      (B) Lei de Faraday.

      (C) Fluxo Eletromagnético.

      (D) Forças de Campo.

 

5) Num condutor fechado, colocado num campo magnético, a superfície determinada pelo condutor é atravessada por um fluxo magnético. Se por um motivo qualquer o fluxo variar, ocorrerá:

    (A) curto circuito.

    (B) o surgimento da corrente elétrica no condutor.

    (C) a magnetização permanente do condutor.

    (D) extinção do campo magnético.

 

6) Quando há variação de fluxo eletromagnético em algum circuito condutor, como em uma bobina, o que é gerado nesse condutor, que possibilita o movimento de algum mecanismo mecânico?

      (A) Corrente de Indução.

      (B) Força de Fluxo.

      (C) Força Eletromotriz Induzida.

      (D) Forças de Campo Eletroímã.

7) A respeito do fluxo eletromagnético, concatenado com um condutor elétrico, podemos afirmar que a força eletromotriz induzida:

      (A) transforma energia cinética em energia elétrica, quando houver variação no fluxo.

      (B) será nula quando houver a variação do fluxo.

      (C) produz uma corrente que reforça a variação do fluxo.

      (D) produz uma corrente contínua que se opõe à variação do fluxo.

 

8) Como pode ser definido um motor elétrico?

      (A) Um eletroímã que se utiliza da variação do fluxo eletromagnético de um condutor espiral que gera força eletromotriz induzida para fazer girar um eixo.

     (B) Um aparelho elétrico que transforma energia elétrica em corrente induzida através do fluxo eletromagnético.  

     (C) Um aparelhos que transforma a energia elétrica em diversos tipos de energia, com luz, movimento e som através da forças eletromagnéticas geradas de fontes mecânicas.

      (D) Um mecanismo que se utiliza da força eletromotriz induzida de um circuito eletromagnético e transforma a energia cinética de movimento em energia elétrica.

9) (ENEM-2011) Os dínamos são geradores de energia elétrica utilizados em bicicletas para acender uma pequena lâmpada. Para isso, é necessário que a parte móvel esteja em contato com o pneu da bicicleta e, quando ela entra em movimento, é gerada energia elétrica para acender a lâmpada. Dentro desse gerador, encontram-se um ímã e uma bobina.

(Disponível em: http://www.if.usp.br. Acesso em: 1 maio 2010.)

O princípio de funcionamento desse equipamento é explicado pelo fato de que a:

       (A) corrente elétrica no circuito fechado gera um campo magnético nessa região.

       (B) bobina imersa no campo magnético em circuito fechado gera uma corrente elétrica.

       (C) bobina em atrito com o campo magnético no circuito fechado gera uma corrente elétrica.

       (D) corrente elétrica é gerada em circuito fechado por causa da presença do campo magnético.

       (E) corrente elétrica é gerada em circuito fechado quando há variação do campo magnético.

 

Pesquisa Google:

1) Explique o funcionamento da caixa de som imantada?

2) Qual o princípio de funcionamento do microfone e quais os tipos mais comuns desse aparelho?

 

Aprofunde-se:

Classificações de Aparelhos Elétricos

Aparelhos elétricos podem ser classificados de acordo com o tipo de transformação de energia e sua utilidade. São classificados como motores, resistivos, comunicadores, geradores.

Aparelhos motores 

São aparelhos que tem, como objetivo, transformar energia elétrica em movimento.

Esses aparelhos se aquecem pela passagem da corrente elétrica, mas não são classificados como resistivos, pois esse aquecimento não é intencional, e sim, um efeito colateral.

A maioria dos motores são um arranjo de imãs permanentes e bobinas (eletroímãs) que utilizam forças eletromagnéticas para fazer girar um eixo.

Exemplos: Ventiladores, Maquinas de lavar, Liquidificadores, Geladeiras, etc.

Aparelhos resistivos

São aparelhos que transformam a energia elétrica em energia térmica através do efeito Joule.

A rigor, todo aparelho elétrico é ao menos um pouco resistivo. No entanto, são classificados como resistivos aqueles aparelhos que tem o aquecimento como objetivo principal.

Exemplos: Chuveiros elétrico, Lâmpadas incandescentes, Secador de cabelos, Torradeiras, Fornos elétricos, entre outros.

Aparelhos comunicadores

Também chamados de Aparelhos Informativos. São aparelhos que codificam, processam, armazenam, transmitem e exibem informações.

Esses aparelhos transformam a energia elétrica em diversos tipos de energia, com luz, movimento e som.

Também transmitem informação através da própria energia elétrica.

Alguns transformam outras formas de energia em eletricidade, como o microfone que absorve o som.

Exemplos: Computadores, telefones, rádios, televisão, videogames e os chamados aparelhos eletrônicos.

Aparelhos geradores

Também chamados de Fontes de energia.

Transformam outro tipo de energia em energia elétrica.

São usados como fonte de eletricidade para aparelhos elétricos.

Exemplos:

Pilhas e baterias transformam energia química em energia elétrica.

Painéis solares (fotovoltaicos) transformam energia luminosa em energia elétrica.

Dínamos e turbinas transformam energia do movimento em energia elétrica. São usados desde faróis de bicicleta à hidrelétricas, termoelétricas e geradores eólicos.

Calculando a potência

A potência é medida em watts (W).

A energia é medida em joules (J).

A energia transferida de um sistema para outro é chamada de trabalho.

Potência elétrica é a velocidade com a qual o trabalho é realizado, ou seja, a velocidade com a qual a energia é transferida.

Quanto mais energia é transferida em menos tempo, maior a potência.

1 W equivale a 1J por 1 segundo.

Potência (W) = energia transferida (J) / tempo (s).

Ou (J) = potência (W) × tempo (s).

 

Eficiência Energética

Aparelhos elétricos consomem energia em diferentes taxas. Para economizar energia, essa taxa deve ser observada tanto no momento de adquirir um aparelho quanto no momento da sua utilização.

A eficiência energética é a razão entre a energia utilizada para um determinado fim e a energia total consumida pelo aparelho. Ou seja, aparelhos eficientes são aqueles que desperdiçam pouca energia.

Eficiência = Energia utilizada / Energia gasta

No Brasil temos o Selo e a etiqueta Procel como forma de orientar o consumidor, na hora da compra, sobre quais produtos apresentam melhor eficiência energética.

A etiqueta classifica os produtos em grau de eficiência de A (mais eficiente) a G (menos eficiente) dentro da sua categoria. Além disso também traz o consumo de energia estimado por mês e várias outras informações técnicas sobre o produto. 

Imagine uma pessoa que toma um banho de 20 min todos os dias em um chuveiro de 5,5 kW. Qual o consumo elétrico desse aparelho por mês?

Atividades:

1) (ENEM 2018) A tecnologia de comunicação da etiqueta RFID (chamada de etiqueta inteligente) é usada há anos para rastrear gado, vagões de trem, bagagem aérea e carros nos pedágios. Um modelo mais barato dessas etiquetas pode funcionar sem baterias e é constituído por três componentes: um microprocessador de silício; uma bobina de metal, feita de cobre ou de alumínio, que é enrolada em um padrão circular; e um encapsulador, que é um material de vidro ou polímero envolvendo o microprocessador e a bobina. Na presença de um campo de radiofrequência gerado pelo leitor, a etiqueta transmite sinais. A distância de leitura é determinada pelo tamanho da bobina e pela potência da onda de rádio emitida pelo leitor.

(Disponível em: http://eletronicos.hsw.uol.com.br. Acesso em: 27 fev. 2012 - adaptado).

 A etiqueta funciona sem pilhas porque o campo:

       (A) elétrico da onda de rádio agita elétrons da bobina.

       (B) elétrico da onda de rádio cria uma tensão na bobina.

       (C) magnético da onda de rádio induz corrente na bobina.

       (D) magnético da onda de rádio aquece os fios da bobina.

       (E) magnético da onda de rádio diminui a ressonância no interior da bobina.

2) (ENEM-2006) Na avaliação da eficiência de usinas quanto à produção e aos impactos ambientais, utilizam-se vários critérios, tais como: razão entre produção efetiva anual de energia elétrica e potência instalada ou razão entre potência instalada e área inundada pelo reservatório. No quadro seguinte, esses parâmetros são aplicados às duas maiores hidrelétricas do mundo: Itaipu, no Brasil, e Três Gargantas, na China. 

Com base nessas informações, avalie as afirmativas que se seguem.

I - A energia elétrica gerada anualmente e a capacidade nominal máxima de geração da hidrelétrica de Itaipu são maiores que as da hidrelétrica de Três Gargantas.

II - Itaipu é mais eficiente que Três Gargantas no uso da potência instalada na produção de energia elétrica.

III - A razão entre potência instalada e área inundada pelo reservatório é mais favorável na hidrelétrica Três Gargantas do que em Itaipu. 

É correto apenas o que se afirma em:

(A)   I.

(B)   II.

(C)   III.

(D)   I e III.

(E)    II e III.

 

Analisando as afirmações, uma a uma, temos:

I. Falsa. De fato, energia efetivamente produzida é maior para a Usina de Itaipu que para a Três Gargantas. No entanto, como potência é energia por unidade de tempo, a capacidade nominal máxima é dada pela potência e esta é maior na Usina de Três Gargantas.

II. Verdadeira. A razão produção/potência é aproximadamente 7381 para hidrelétrica Itaipu e 4615 para Três Gargantas, isto é, Itaipu tem maior rendimento, logo, é mais eficiente.

III. Verdadeira.  A razão potência/área é 18,2 MW/Km² para a hidrelétrica Três Gargantas e 9 MW/Km² para a Itaipu. Portanto, esta razão é mais favorável em Três Gargantas.

Portanto, é correto o que se afirma em II e III.

“H´a uma força motriz mais poderosa que o vapor, a eletricidade e a energia atômica: a vontade.”. Albert Einstein