Eletricidade Geral - Apostilas - Fisica, Notas de estudo de Física. Universidade do Estado do Amazonas (UEA)
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Brigadeiro6 de Março de 2013

Eletricidade Geral - Apostilas - Fisica, Notas de estudo de Física. Universidade do Estado do Amazonas (UEA)

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Apostilas de Física sobre o estudo da Eletricidade Geral, princípio de funcionamento, construção de um motor elétrico simples.
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Introdução.

Sempre que uma corrente elétrica percorre um condutor, um campo magnético é gerado ao redor do mesmo. Os princípios do magnetismo são uma parte importante da eletricidade, pois além dos motores elétricos, eletroímãs são utilizados em vários componentes elétricos.

Um Motor Elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em energia mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilização da energia elétrica (baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando).

Os tipos mais comuns são: Motores de CC, Motor Universal (CC ou CA), Motor CA (Síncrono ou Assíncrono).

Os motores são construídos de acordo com a rede. Os motores monofásicos possuem apenas um conjunto de bobinas e sua alimentação é feita por uma única fase. São empregados para cargas de pequena potência, como ventiladores, geladeiras etc.

Já o motor trifásico apesar de funcionar sob o mesmo princípio do motor monofásico, sua alimentação é feita por três sistemas monofásicos, defasados 120°. São os mais utilizados na indústria em geral, devido à aplicação em cargas de grande potência. São exemplos motores de bombas, britadores e correias transportadoras.

O motor é composto basicamente por:

Estator: Carcaça (estrutura do conjunto), Núcleo de chapas (chapas de aço magnético), Enrolamento (conjunto de bobinas).

Rotor: Eixo (transmite potência mecânica desenvolvida pelo motor), Núcleo de chapas (chapas de aço do rotor), Barras e anéis de curto-circuito (são de alumínio).

Princípio de Funcionamento.

Quando dois imãs são aproximados, o fluxo magnético em torno destes irá causar uma interação entre os mesmos. Se os imãs forem aproximados com os pólos contrários, os imãs irão se atrair e se forem com pólos iguais irão se repelir.

Uma bobina com fio condutor, percorrida por uma corrente elétrica age como um imã. Os laços individuais da bobina agem como pequenos imãs. Os campos individuais se somam formando um campo principal. A força do campo pode ser aumentada adicionando mais voltas à bobina ou ainda, se aumentarmos a corrente que circula pela mesma.

Aqui pretendemos examinar os componentes básicos dos motores elétricos; ver “o que faz um motor elétrico girar”, e como os motores diferem um dos outros.

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O rotor do motor, precisa de um torque para iniciar o seu giro. Este torque normalmente é produzido por forças magnéticas desenvolvidas entre os pólos magnéticos do rotor e aqueles do estator. Forças de atração ou de repulsão, desenvolvidas entre estator e rotor, “puxam” ou “empurram” os pólos móveis do rotor, produzindo torques, que fazem o rotor girar mais e mais rapidamente, até que os atritos ou cargas ligadas ao eixo reduzam o torque resultante ao valor 'zero'. Após esse ponto, o rotor passa a girar com velocidade angular constante. “Tanto o rotor como o estator do motor devem ser “magnéticos”, pois são essas forças entre pólos que produzem o torque necessário para fazer o rotor girar.

Todavia, mesmo que ímãs permanentes sejam frequentemente usados, principalmente em pequenos motores, pelo menos alguns dos “ímãs” de um motor devem ser “eletroímãs”.

Um motor não pode funcionar se for construído exclusivamente com ímãs permanentes!

Isso é fácil de perceber pois, não só não haverá o torque inicial para “disparar” o movimento, se eles já estiverem em suas posições de equilíbrio, como apenas oscilarão, em torno dessa posição, se receberem um “empurrão” externo inicial.

É condição necessária que algum “pólo” altere sua polaridade para garantir a rotação do rotor.

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Um motor simples consiste de uma bobina que gira entre dois ímãs permanentes. (a) Os pólos magnéticos da bobina (representados como ímã) são atraídos pelos pólos opostos dos ímãs fixos. (b) A bobina gira para levar esses pólos magnéticos o mais perto possível um do outro, mas, (c) ao chegar nessa posição o sentido da corrente é invertido e (d) agora os pólos que se defrontam se repelem, continuando a impulsionar o rotor.

Acima esquematizamos um motor simples onde o estator é constituído por ímãs permanentes e o rotor é uma bobina de fio de cobre esmaltado por onde circula uma corrente elétrica. Uma vez que as correntes elétricas produzem campo magnético essa bobina se comporta como um ímã permanente, com seus pólos N (norte) e S (sul) como mostrados na figura.

Comecemos a descrição pela situação ilustrada em (a) onde a bobina apresenta-se horizontal. Como os pólos opostos se atraem, a bobina experimenta um torque que age no sentido de girar a bobina “para a esquerda”. A bobina sofre aceleração angular e continua seu giro para a esquerda, como se ilustra em (b). Esse torque continua até que os pólos da bobina alcancem os pólos opostos dos ímãs fixos (estator). Nessa situação (c) -- a bobina girou de 90o -- não há torque algum, uma vez que os braços de alavanca são nulos (a direção das forças passa pelo centro de rotação); o rotor está em equilíbrio estável (força resultante nula e torque resultante nulo). Esse é o instante adequado para inverter o sentido da corrente na bobina. Agora os pólos de mesmo nome estão muito próximos e a força de repulsão é intensa. Como a bobina já

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apresenta um momento angular 'para a esquerda', ela continua girando 'para a esquerda' (algo como uma 'inércia de rotação') e o novo torque (agora propiciado por forças de repulsão), como em (d), colabora para a manutenção e aceleração do movimento de rotação.

Mas, mesmo após a bobina ter sido girada de 180o -- não ilustrada na figura --, o movimento continua, a bobina chega na 'vertical' -- giro de 270o --, o torque novamente se anula, a corrente novamente inverte seu sentido, novo torque e a bobina chega novamente á situação (a) -- giro de 360o --. E o ciclo se repete.

Essas atrações e repulsões bem coordenadas é que fazem o rotor girar, embora o modo como tais torques sejam obtidos possam variar entre os vários tipos de motores. A inversão do sentido da corrente, no momento oportuno, é condição indispensável para a manutenção dos torques 'favoráveis', os quais garantem o funcionamento dos motores. É por isso que um motor não pode ser feito exclusivamente com ímãs permanentes.

Construção de um motor elétrico simples.

Materiais utilizados:

-Fio de cobre.

-Arame.

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-Imã natural.

-Pilha 1,5 V.

-Base de madeira.

-Ferramentas (alicate universal, alicate de corte, chave de fenda).

Objetivo.

Neste experimento vamos construir um sistema simplificado de um motor de corrente contínua. Trata-se de uma aplicação de grande importância de eletricidade e magnetismo.

Contexto

O motor elétrico funciona com base na repulsão entre imãs, um natural e outro não natural.

O imã não natural neste experimento é uma bobina.

O conveniente de se usar imãs não naturais num motor elétrico é a possibilidade de se manipular (inverter) os pólos magnéticos.

Num primeiro momento, os fios raspados estão em contato com as tiras e a corrente elétrica cria um campo magnético na bobina. Esta bobina por ter liberdade de rotação entra em movimento, para se livrar da repulsão do imã comum, que está fixo à sua frente.

Em um quarto de volta, a bobina está parcialmente em contato com as tiras e o campo magnético começa a perder sua força. Não deixando assim que a atração do pólo sul da bobina pelo pólo norte do imã comum seja forte o suficiente para frear o movimento.

Quando a bobina completa meia volta, começaria o processo inverso. Ou seja, deveria existir um campo atrativo entre a bobina e o imã. Mas isso só aconteceria se os contatos estivessem ligados. Este contato não é estabelecido, pois, esta atração frearia ou cessaria o movimento adquirido no primeiro momento.

Completando-se mais um quarto de volta, o contato com as tiras começa a se reestabelecer e o campo magnético a ganhar força. Neste momento a bobina começa a ser repelida pelo imã comum. Dado o movimento que a bobina já possui este ganha nova aceleração.

Volta-se à posição inicial e o ciclo recomeça.

Assim o processo continua periodicamente, enquanto existir corrente elétrica passando pela bobina.

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Montagem.

Para fazer a bobina enrola-se o fio de cobre num cano ou qualquer outro objeto cilíndrico, com cerca de 3 cm de diâmetro. Deve-se deixar livre duas pontas de aproximadamente 2 cm de comprimento, em cada extremidade.

A raspagem do esmalte do fio de cobre nas extremidades deve ser feito da seguinte maneira: primeiro, deve-se raspar com uma lâmina todo o esmalte de uma das extremidades, dando uma volta completa. A outra extremidade, só é raspada o esmalte de meia volta do fio. Isso porque em um plano ambas as extremidades estão raspadas, e em contato com as tiras, dando contato para a passagem de corrente elétrica. E consequentemente no outro plano, somente uma das extremidades em contato com as tiras estará raspada, não permitindo assim a passagem de corrente elétrica. E consequentemente não gerando campo magnético em torno da bobina.

Para fazer os suportes da bobina utiliza-se tiras de lata, dando-lhes o formato indicado na figura a seguir e prendendo-as a uma base de madeira;

Coloque a bobina sobre o suporte, verificando se ela pode girar livremente. Se isso não ocorrer, alinhe as extremidades da bobina de modo que elas fiquem bem retas e opostas e veja se as depressões nos suportes estão em linha reta, no mesmo nível e do mesmo tamanho;

Ligue com fios de cobre cada uma das lâminas do suporte a uma extremidade da(s) pilha(s), prestando atenção para não deixar a faixa esmaltada das extremidades da bobina em contato com o suporte.

Posiciona-se um imã sobre um suporte qualquer de forma que fique aproximadamente na mesma altura da bobina. Se o contato com a pilha for estabelecido e a bobina não girar, talvez seja preciso, no início, girar a bobina manualmente (dar um empurrãozinho).

Dada a simplicidade do motor, para funcionar, ele é dependente das dimensões e materiais usados. Portanto, algumas tentativas talvez sejam necessárias até que o motor funcione adequadamente.

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Outra característica deste motor é que há determinadas combinações de formas diferentes de se ligar os polos da bateria às tiras e mesmo da posição da espira sobre as tiras. Mas algumas poucas tentativas devem levar a uma das combinações corretas.

Esquema geral da montagem:

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