PRINCÍPIO DOS MOTORES ELÉTRICOS

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1 FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA Projeto de Pesquisa da Primeira Série Série: Primeira Curso: Eletrotécnica Turma: 2124 Sala: 237 Início: 02 de junho de 2009 Entrega: 17 de julho de 2009 Aluno: Bruna Ritter da Silva (07) Aluno: Leonardo Marques (20) Aluno: Bruno Hannecker Ewald (08) Aluno: Tatiane Texeira (31) Orientador: Prof. Taylor Barcelos Ferreira Bueno Júnior PRINCÍPIO DOS MOTORES ELÉTRICOS 1 DELINEAMENTO 1.1 Introdução Ao observar o movimento do imã, gerando uma corrente elétrica induzida, no Museu de Ciências e Tecnologia da PUC, com o experimento denominado Movendo o Imã, aprendemos que correntes elétricas assim formadas, são denominadas correntes elétricas induzidas. Sabendo que nos motores também temos movimentos de espiras retangulares dentro de cilindros (rotores) e que esse movimento é o princípio de funcionamento dos motores elétricos atuais. Procuramos estabelecer a ligação entre o experimento da PUC e o princípio fundamental dos motores elétricos. 1.2 Tema O princípio fundamental do funcionamento de um motor elétrico de corrente contínua. 1.3 Proposta Em um primeiro momento será realizada uma pesquisa bibliográfica, para estabelecer uma relação entre a experiência Movendo o Imã e o princípio de funcionamento do motor elétrico. Posteriormente, trabalháramos em uma pesquisa exploratória, coletando os dados necessários para que possamos fazer um protótipo de um motor, para assim termos uma visão mais ampla do nosso projeto. 1.4 Justificativa(s) Nós nos interessamos por este trabalho, pois ele explica o funcionamento dos motores elétricos dos mais variados tipos, desde o de uma batedeira até os enormes motores encontrados em usinas hidrelétricas e termoelétricas. Sem a utilização desses motores elétricos, a nossa vida seria muito diferente, pois tudo seria realizado mais lentamente e não teríamos a rapidez, a precisão e o conforto que as batedeiras, liquidificadores, carros, aviões, etc. nos proporcionam.

2 Não devemos esquecer também que a utilização da energia é hoje uma das principais preocupações do ser humano. Certamente uma das formas de aproveitar e utilizar de forma racional a energia é entendendo o princípio de funcionamento do motor elétrico, cuja aplicação é tão vasta. 1.5 Problema É possível montar um modelo simples que permite visualizar a influência do campo magnético, da corrente elétrica e das escovas no funcionamento de um motor elétrico de correte contínua? 1.6 Objetivo(s) Construir um modelo de motor elétrico que permite compreender a interação do campo magnético produzido pela corrente elétrica que percorre uma bobina com o campo magnético de um imã permanente colocado nas proximidades da bobina. 2 CONTEXTUALIZAÇÃO DA PESQUISA 2.1 Contextualização histórica Até por volta dos anos 20, todo passeio de automóvel começava com uma desconfortável ginástica: alguém devia curvar-se em frente ao carro e girar com força uma manivela. A função dessa peça indispensável era dar a partida no motor, ou seja, executar seu primeiro movimento, tirando-o da imobilidade; depois o combustível faria o resto. Desde então, porém, a manivela foi aposentada e o exercício do motorista não passa de um leve virar da chave no contato, que aciona um pequeno motor alimentado por uma bateria. O motor substituiu a manivela. Assim como esses motoristas tiveram seus esforços poupados, as donas de casa trocaram a força física pelo simples ato de ligar uma tomada. De fato, é quase impossível imaginar a vida sem as engenhocas elétricas que povoam a paisagem doméstica: liquidificadores, aspiradores, máquinas de lavar e secar, toca-discos, geladeiras etc. Para além do restrito território de um apartamento, os elevadores são imprescindíveis, assim como os portões eletrônicos das garagens e as escadas rolantes de uma loja. Um pouco mais longe, nas indústrias, a evolução não foi muito diferente: para produzir todas essas máquinas, outros equipamentos foram criados. Embora enormes e muito diferentes em aparência de um pequeno secador de cabelos, por exemplo, a maioria deles utiliza o mesmo sistema básico de funcionamento: o de um motor elétrico. Ele transforma a energia elétrica em energia mecânica, como o girar das pás de um ventilador. Em 1820, o cientista dinamarquês Hans Christian Oersted ( ) não imaginou que

3 com uma singela experiência descobriria um princípio físico fundamental para o funcionamento desse tipo de motor. Oersted passou uma corrente elétrica, gerada por uma pilha, por um fio condutor e depois aproximou desse fio uma bússola; a agulha, que é um ímã (uma barra magnética), mexeu-se e alinhou-se perpendicularmente ao fio. Para o cientista, o fato só poderia dizer uma coisa: em volta do fio havia um campo magnético, que agiu sobre o outro campo, o da agulha. Com isso, estabeleceu-se pela primeira vez a relação entre eletricidade e magnetismo. O físico francês André-Marie Ampere ( ), um gênio da Matemática, após tomar conhecimento das experiências do dinamarquês, começou a formular uma lei do eletromagnetismo, chegando à conclusão de que as linhas de força criadas pelo fio eletrizado - o campo magnético - são circulares, ou seja, formam uma espécie de cilindro invisível em volta do condutor. Até então, pensava-se que o campo magnético caminhava apenas em linha reta, de um ímã para outro. Também pesquisando a ligação entre eletricidade e magnetismo, estava o inglês Michael Faraday ( ). Nascido em Newington, perto de Londres, ele era físico e químico, mas de formação teórica precária. Por isso, valorizava a experiência como prova dos fenômenos naturais. Graças à sua curiosidade e a metódicas experiências, ele pôde demonstrar em 1822 o campo magnético circular. Faradayencheu com mercúrio - um metal condutor - duas taças especialmente desenhadas, de modo a ter um fio elétrico saindo do seu fundo. Numa delas fixou verticalmente uma barra magnetizada. Na outra, deixou frouxo outro magneto. Na primeira taça, quando um fio elétrico pendurado acima da taça tocava o mercúrio, fechando o circuito, esta se punha a girar em volta do ímã. Na outra taça, onde o fio estava frouxo, quando ligado à corrente o magneto girava em torno do fio central. Este foi o primeiro motor elétrico, o autêntico ancestral das máquinas de hoje. Nove anos depois, Faraday notou que se colocasse um ímã dentro de uma bobina, em cujo fio passasse energia elétrica, este se moveria de forma a acompanhar as linhas de força da bobina; demonstrou assim que uma bobina eletrizada é também um ímã. Se colocarmos uma bobina entre dois ímãs fixos, sem tocar neles, ela aponta seu pólo norte para o pólo sul do ímã e vice-versa. Mas, como os pólos da bobina são determinados pelo sentido da corrente que passa pelo fio, quando o invertemos, os pólos também se invertem, o que faz com que a bobina se mova novamente. Se essa inversão da corrente for constante, ela não pára de girar. Na época de Faraday, como a única fonte de energia elétrica disponível era a de uma pilha, de corrente contínua, a mudança de sentido dá corrente se dava através de um sistema chamado

4 comutador, até hoje usado em brinquedos e outros pequenos motores. Este é o princípio do funcionamento do motor elétrico. Para que o movimento aconteça, é preciso que haja uma interação entre os campos magnéticos de um estator (parte fixa do sistema) e um rotor (parte móvel). Depois de Faraday, muitos outros cientistas começaram a especular sobre o fenômeno da eletricidade. O engenheiro-eletricista e inventor belga Zénobe Théophile Gramme construiu, em 1869, um motor que também se comportava como gerador - a máquina inversa. Ou seja, quando ligada a uma corrente elétrica, produzia energia motora. E, quando movida por uma força motora, produzia energia elétrica. O invento foi chamado dínamo Gramme e apresentado em Viena em Alguns anos depois, foi exposta na Universidade Técnica de Graz, na Áustria, onde encantou o aluno iugoslavo Nikola Tesla. Físico e engenheiro, Tesla começou a pesquisar novos aperfeiçoamentos para o engenho, que já fazia enorme sucesso. Em 1883, apresentou o primeiro gerador de corrente alternada - aquela cujos pólos se invertem. A partir de então, a corrente passou a ser gerada de forma alternada, como as que hoje chegam às tomadas. A seguir, inventou o motor elétrico sem comutador. No entanto, a corrente alternada - que viria a ser a outra grande revolução na eletricidade - não causou o impacto esperado por Tesla na comunidade científica européia da época. Isso forçou o pesquisador a procurar novas oportunidades nos Estados Unidos, onde chegou em No mesmo ano, vendeu os direitos de patente das invenções a um certo George Westinghouse, dono de uma companhia elétrica que levava seu nome. O sistema Tesla-Westinghouse, como viria a ser conhecido, foi utilizado pela primeira vez na iluminação do World s Columbian Exposition, uma feira montada em Chicago, em 1893, para celebrar o quarto centenário do descobrimento da América. O sucesso foi tanto que a companhia de Westinghouse acabou contratada meses depois para instalar geradores elétricos pela primeira vez nas cataratas do Niágara. Depois da invenção da corrente alternada, muitos outros aperfeiçoamentos foram introduzidos nos motores elétricos. Por exemplo, em vez de apenas dois pólos no estator, alguns novos motores têm uma seqüência de vários ímãs muito próximos, o que aumenta a uniformidade do movimento. Em casos como o dos toca-discos, o avanço melhora muito a qualidade do som. As pesquisas apontam agora para outra revolução: os supercondutores. Sem desperdiçar energia, esses fios de cerâmica tornariam os motores muito mais potentes. Mas isso faz parte do futuro. De qualquer forma, o princípio fundamental continua o mesmo - por sinal, algo muito simples, embora tenha modificado radicalmente a vida das pessoas.

5 2.2 Contextualização tecnológica Os motores elétricos girantes comportam duas armaduras ferromagnéticas cilíndricas coaxiais, sendo uma fixa (estator) e outro móvel (rotor), separadas por um entreferro. A maior parte dos motores de potência significativa são motores de campo girante, trifásicos, tanto síncronos (girando à velocidade do campo) como assíncronos (cuja velocidade é ligeiramente inferior à do campo). Os motores de corrente contínua resultam da reversibilidade dos geradores correspondentes, podendo ser de um dos quatro tipos; com excitação independente, em série e compostos, sendo todos caracterizados pela facilidade de regulagem de sua velocidade. O motor universal é um motor série que funciona em corrente contínua ou alternada monofásica e é utilizado comumente nos aparelhos eletrodomésticos. 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 Imã Alguns corpos se atraem ou se repelem por uma força magnética: são os imãs. O ímã sempre tem dois pólos, o pólo norte e o pólo sul. Norte e sul se atraem e pólos iguais se repelem. O ímã mais comum é de aço, que é ferro misturado a carbono. O aço forma um ímã permanente. O ferro puro também pode ser magnetizado, mas perde a magnetização tão logo o ímã que o magnetiza for afastado. Os ímãs mais fortes que se conseguem fazer são de uma cerâmica chamada ferrite. Ímãs de ferrite são usados em alto-falantes de aparelhos de som. 3.2 Campo Magnético Campo magnético é a influência de cargas elétricas em movimento e imãs permanentes. Pode-se dizer também que o campo magnético é uma região do espaço onde se manifesta o magnetismo, através das chamadas ações magnéticas. Essas ações verificam-se à distância e apenas algumas substâncias são influenciadas pelo campo magnético. Por exemplo, o cobre não tem propriedades magnéticas. Pelo contrário, os materiais ferrosos são fortemente influenciados. Afirma-se que as ligações químicas são produtos de desequilíbrios nos campos magnéticos, e não elétricos.

6 3.3 Espira Espira é um tipo de circuito elétrico que possui diversas funções voltadas, principalmente, à produção de campo magnético, eletricidade e energia mecânica. É componente dos geradores de energia elétrica, assim como dos motores elétricos, dos transformadores, indutores e de vários outros dispositivos. 3.4 Corrente elétrica A corrente elétrica é um fluxo de elétrons que circula por um condutor quando entre suas extremidades houver uma diferença de potencial. Esta diferença de potencial chama-se tensão. A facilidade ou dificuldade com que a corrente elétrica atravessa um condutor é conhecida como resistência. Esses três conceitos: corrente, tensão e resistência, estão relacionados entre si, de tal maneira que, conhecendo dois deles, pode-se calcular o terceiro através da Lei de Ohm. 4 METODOLOGIA Iremos construir um motor elétrico simples, rudimentar, em que poderemos ver aplicado O princípio Fundamental do Motor Elétrico. 4.1 Proposta de solução Para a construção desse motor elétrico rudimentar, escolhemos primeiramente os materiais que melhor se adaptam ao nosso protótipo: imãs, fios, bobina, madeira para o suporte do motor, espiras, etc. Depois faremos uma análise do orçamento em várias lojas, do material que será utilizado. A idéia básica é construir esse protótipo num suporte grande cujas medidas serão em torno de 30 cm por 30 cm de lado. Realizaremos as medidas do protótipo dentro dos Laboratórios do Curso de Eletrotécnica. Neste local também será realizado a análise das mesmas. Para análise do motor iremos empregar instrumentos como multímetro, bússolas, etc. O motor também será analisado pelo número de rotações por minuto. 4.2 Orçamento MATERIAL OBSERVAÇÃO CUSTO LOJA Imã 22x3 5m 16,80 MRM comércios e serviços limitados em Canudos.

7 Fio R$ 2,10m Róla fios endurtia e 10 mm² comércio Ltda. em Novo Hamburgo. Tábua de madeira Eucalipto tratado R$ 9,00 Madeireira JG em Bobina Espiras Pilhas Como não encontramos as bobinas, resolvemos construí-las nós mesmos através de materiais já encontrados em nossas residências. Vamos montá-las com fios de cobre esmaltados encontrados em uma resistência de chuveiro. Pilhas alcalinas de alta carga. R$ 0,00 R$ 0,00 Novo Hamburgo. R$ 2,50 Hiper mercado Bourbon em Novo Hamburgo. 4.3 Cronograma Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. 16 a 30 Montagem do projeto x x Entrega do projeto pronto x Montar o protótipo x x Após a avaliação feita pelo x professor de projetos, vamos imprimir para uma segunda avaliação que será realizada pela professora de Português. Apresentação do projeto x x Relatório do protótipo x x Apresentação final x x x BIBLIOGRAFIA Ubirajara, Claudio. Motor Elétrico. midia=pmd&cod=_pmd2005_i0902, 24/06/09.

8 Fendt, Walter. Motor de Corrente Contínua. 13/08/09. Magneto - imã. 19/08/09. O que é campo magnético? 19/08/09. Tojano, Lídia. Corrente Elétrica. ELETRICA/Paacutegina1.html, 19/08/09.

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