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Experimento de Motor eletrico de Corrente Continua (CC) Italo Pablo De Araujo Arruda Bacharelado em Ciência e Tecnologia – Laboratório de Ondas e Termodinâmica – Turma XX Universidade Federal Rural do Semi-Árido – Campus Caraúbas Rio Grande do Norte – Brasil Experimento realizado em 24 de janeiro de 2025 Resumo. O experimento realizado no Laboratório de Eletricidade e Magnetismo da UFERSA teve como objetivo estudar a força magnética sobre cargas em movimento e o funcionamento de um motor elétrico de corrente contínua. Baseado na interação entre um campo magnético uniforme e uma espira com corrente elétrica, o sistema demonstrou a geração de torque e movimento rotacional conforme a Lei de Ampère e a regra da mão direita. Foram investigadas a polaridade do ímã magnético, o comportamento do motor sob diferentes tensões e o vetor momento magnético do dipolo. O experimento permitiu calcular grandezas físicas como área da espira, momento magnético e corrente elétrica, além de analisar o equilíbrio de forças e os fatores que influenciam a rotação da bobina. Palavras chave: Força magnética, corrente contínua, torque, campo magnético uniforme, momento magnético, espira elétrica. A. Introdução A Física, como ciência que estuda os fenômenos naturais e as propriedades da matéria, nos proporciona uma compreensão mais profunda de muitos eventos que observamos no cotidiano. Dentre as diversas contribuições da Física para o desenvolvimento tecnológico, o eletromagnetismo destaca-se como um dos conhecimentos que mais impactaram a sociedade. Esse avanço superou percepções simplistas do senso comum, desencadeando transformações revolucionárias. Uma das mais notáveis revoluções proporcionadas pelo eletromagnetismo foi o desenvolvimento dos motores elétricos, amplamente utilizados em diversas situações e presentes em muitos aparelhos domésticos, como geladeiras, máquinas de lavar e ventiladores. Esses dispositivos possuem a capacidade de converter energia elétrica em energia mecânica, trazendo comodidade e eficiência para a humanidade. Além disso, os motores elétricos são caracterizados por sua construção simples e alta adaptabilidade, fatores que os tornam indispensáveis na vida moderna. Os motores elétricos podem ser classificados em três grandes grupos, de acordo com o tipo de corrente elétrica utilizada, que determina o movimento do fluxo de elétrons em seu interior. Esses grupos são: motores de corrente alternada (CA), motores de corrente contínua (CC) e motores universais (CA e CC), que operam com ambos os tipos de corrente. No experimento realizado, o motor elétrico construído utilizou uma corrente contínua. Esse tipo de corrente caracteriza-se pelo fluxo de elétrons que percorre um único sentido, do polo negativo para o positivo. Além disso, o funcionamento do motor baseou-se no princípio do magnetismo. A operação do motor ocorreu devido a uma corrente elétrica que atravessava uma bobina condutora, gerando um campo magnético em seu entorno. Como a bobina era plana, comportava-se como um dipolo magnético. Na presença de um campo magnético externo, gerado por um ímã, a bobina sofreu a ação de um torque. Esse torque surgiu porque o momento de dipolo magnético da bobina tendeu a se alinhar com o campo magnético externo, provocando o movimento e permitindo o funcionamento do motor. B. Referencial Teórico Para compreender o funcionamento de um motor de corrente contínua, é essencial ter familiaridade com alguns conceitos fundamentais de eletricidade e magnetismo. Toda matéria é composta por partículas chamadas prótons, nêutrons e elétrons, que também são conhecidas como cargas elétricas. A eletricidade pode ser entendida como um conjunto de fenômenos que resultam da movimentação ou do desequilíbrio dessas cargas. Quando os elétrons se movimentam de maneira ordenada, produzem uma corrente elétrica. Essa corrente é gerada devido à existência de uma diferença de potencial aplicada a um corpo. Além disso, sabe-se que correntes elétricas são capazes de criar campos magnéticos. Por exemplo, quando uma corrente elétrica percorre um material condutor, como um fio de cobre, um campo magnético é gerado ao redor do condutor. O mesmo princípio se aplica quando a corrente passa através de uma bobina: haverá um campo magnético associado a ela, intensificando-se conforme as características da bobina e da corrente aplicada. • Campo Magnético e Força Magnética: O campo magnético é uma região do espaço onde cargas elétricas estão sujeitas à ação de uma força magnética, capaz de alterar suas trajetórias. As interações magnéticas podem ser descritas da seguinte forma: correntes elétricas ou cargas móveis geram campos magnéticos ao seu redor. Esse campo, por sua vez, exerce forças sobre outras correntes ou cargas que se movam em sua área de influência. Semelhante ao campo elétrico, o campo magnético é uma grandeza vetorial associada a cada ponto do espaço. Sua intensidade e direção podem ser descritas pela seguinte expressão: 𝐵 = 𝐹𝐵 |𝑞|𝑣 (1) Onde: B: é o campo magnético; FB: é a força magnética; q: é a carga elétrica; v: é a velocidade. A unidade de medida para campo magnetico (B) no sistema internacional de unidade (SI) é tesla (T). Tem-se A equação (1) em sua forma veterial como: (2) A força magnética que atua sobre uma partícula é dada pelo produto da carga elétrica da partícula pelo produto vetorial entre sua velocidade e o campo magnético. Esse produto vetorial determina a direção da força magnética. Assim, utilizando a regra da mão direita, é possível identificar o sentido dessa força. A Figura 1 ilustra como aplicar a regra da mão direita para determinar o sentido da força magnética de forma prática e precisa. Figura 01: Regra da mão direita Fonte: Halliday; Resnick (pág 444) Como o produto vetorial temos que estender a mão em fechar em . O polegar diz a orientação da força magnética. Em termos de módulo podemos escrever a Eq. 2 da seguinte forma; 𝐹𝐵 = 𝑞 𝑣 sin 𝜃 (3) O ângulo θ representa a inclinação entre a velocidade da partícula e o campo magnético. De acordo com a Eq. 3, a força magnética é proporcional ao produto da carga e da velocidade. Portanto, se a carga for zero ou a partícula estiver em repouso, a força magnética será nula. Além disso, observa-se que, caso o ângulo θ entre a velocidade e o campo magnético seja 0o ou 180o (velocidade paralela ou antiparalela ao campo), a força magnética também será zero. Por outro lado, quando o ângulo θ for 90o (velocidade perpendicular ao campo), a força magnética atingirá seu valor máximo. • Torque: O torque é uma grandeza vetorial associada às forças que provocam rotações em um corpo. Quando uma bobina é inserida em uma região com campo magnético externo, ela está sujeita à ação de um torque. Nessa situação, a bobina comporta-se como um dipolo magnético, e o torque que atua sobre ela pode ser expresso pela seguinte equação: (4) 𝜇⃗ é o momento de dipolo magnético e 𝐵 o campo magnético da bobina. A direção de 𝜇⃗ é dada pela regra da mão direita. Assim, quando os dedos da mão direita apontam na direção da corrente na bobina, o polegar estendido aponta na direção de 𝜇⃗ . A Figura 2 mostra o como se determina a direção e o sentido do momento dipolar magnético sobre uma espira. Figura 02: Regra da mão doreita para orientação em 𝜇⃗ Fonte: : Freedman; Young (pág 260) Em termos de modulo, a Eq. 4 pode ser escrita como: 𝜏 = 𝜇⃗ 𝐵 sin 𝜃 (5) Onde θ é o ângulo formado entre o momento de dipolo magnético e o campo magnético. • Campo Magnético de uma Bobina plana: Para uma bobina com uma únicaespira circular percorrida por uma corrente elétrica, é possível calcular o campo magnético gerado apenas em pontos localizados ao longo de seu eixo central, analisando-a como um dipolo magnético. Como uma bobina é composta por várias espiras, o campo magnético total pode ser determinado avaliando inicialmente o campo de uma única espira e, posteriormente, somando a contribuição de todas as espiras. A Figura 3 ilustra uma espira circular percorrida por uma corrente elétrica e destaca um ponto P, situado no eixo central da espira a uma distância z do plano em que ela se encontra. Figura 03: Espira circular pecorrida por uma corrente. Fonte: Halliday; Resnick (pág 537) A Lei de Biot-Savart é uma das equações fundamentais do magnetismo, descrevendo o campo magnético gerado por uma corrente elétrica. Essa lei estabelece que a contribuição de um elemento de corrente para o campo magnético em um ponto do espaço é diretamente proporcional à corrente e ao vetor de distância que conecta o elemento de corrente ao ponto onde o campo está sendo calculado. Matematicamente, a Lei de Biot-Savart é expressa da seguinte maneira: 𝐵 = µ0 4П ∫ 𝐼 𝑑𝐼 ∗ ê 𝑟2 (6) Onde: µ0 : é a permeabilidade do vácuo, uma constante fundamental; I: é a corrente elétrica que circula no fio condutor; dI: é o vetor infinitesimal que representa o comprimento do elemento de corrente; B: é o vetor do campo magnético gerado pela corrente elétrica; ê: é o vetor unitário que aponta do elemento de corrente até o ponto de observação; r: é a distância entre o elemento de corrente e o ponto onde o campo magnético é calculado. Essencialmente, a Lei de Biot-Savart permite calcular o campo magnético criado por uma distribuição de corrente. A interação entre a corrente e a posição do observador (representada pelo produto vetorial (dI X ê) é importante, pois isso determina a direção do campo magnético. • Motor de Corrente Continua (CC): Os motores têm um papel fundamental na sociedade, pois estão presentes em diversos equipamentos do cotidiano, facilitando várias tarefas. Em um motor, o torque magnético atua sobre um condutor que transporta corrente elétrica, convertendo a energia em energia mecânica. No caso de um motor de corrente contínua (CC), seu funcionamento é baseado no fluxo de elétrons que percorre um único sentido, ou seja, a corrente elétrica é contínua. A Figura 4 ilustra um exemplo de motor CC e demonstra o seu funcionamento. Figura 04: Diagrama de moto de corrente continua: Fonte: Freedman; Young (pág 245) Podemos observar que a parte móvel do motor é o rotor, uma extensão de fio formada por uma espira aberta, que gira livremente em torno de um eixo. As extremidades dos fios do rotor estão conectadas a dois segmentos condutores, que formam um comutador. Na Figura 4, cada um desses segmentos do comutador entra em contato com um dos terminais, ou escovas, que fazem a conexão com um circuito externo, incluindo uma fonte de força eletromotriz (fem). Isso gera uma corrente que entra no rotor pelo lado esquerdo (em vermelho) e sai pelo lado direito (em azul). Assim, o rotor funciona como uma espira de corrente com um momento dipolar magnético. Como o rotor está situado entre os polos de um ímã permanente, ele fica imerso em um campo magnético gerado por esse ímã, que exerce um torque sobre o rotor. De acordo com a Figura 4.a, esse torque faz o rotor girar no sentido anti-horário, o que faz com que o momento dipolar magnético se alinhe com o campo magnético gerado pelo ímã. A Figura 4.b mostra o rotor girado em 90° a partir de sua posição inicial. Se a corrente fosse constante, o rotor alcançaria uma posição de equilíbrio, oscilando em torno da orientação de 90°. Porém, nesse ponto, o comutador entra em ação. Nesse momento, as escovas entram em contato com as partes isolantes dos segmentos do comutador e nenhuma corrente flui através do rotor, fazendo com que o momento magnético seja igual a zero. Contudo, por inércia, o rotor continua a girar no sentido anti-horário, permitindo que a corrente flua novamente pelo rotor, como mostrado na Figura 4.c. Embora a corrente passe em sentido contrário em relação aos comutadores, o rotor já terá girado 180° e o momento dipolar magnético continuará com a mesma direção e sentido do campo magnético. Portanto, o torque mantém a direção e o mesmo sentido que na Figura 4.a. Graças ao comutador, a corrente se inverte a cada giro de 180°, garantindo que o torque sempre faça o rotor girar no sentido anti- horário. Assim, quando o motor atinge maior velocidade, o torque magnético médio é equilibrado pelo torque oposto, gerado pela resistência do ar, pelo atrito nos mancais do motor e entre as escovas e os segmentos do comutador. Equação para determinar o momento dipolo µ de uma espira retangular com N voltas: µ = 𝐼 ∗ 𝑁 ∗ 𝐴 (7) Onde: µ: Momento dipolo; I: Corrente aplicada no sistema; N: Número de voltas da bobina; A: Área da bobina, seja ela retangular ou circular. • Resistencia Elétrica: A resistência elétrica é a propriedade de um material ou componente de dificultar o fluxo de corrente elétrica. Quando um corpo é exposto a uma diferença de potencial (tensão), ele começa a conduzir uma corrente elétrica, que nada mais é do que o movimento ordenado de elétrons. No entanto, ao encontrarem dificuldades para se mover, os elétrons acabam sendo influenciados pela resistência elétrica do material. Componentes elétricos sujeitos a uma mesma tensão podem apresentar correntes elétricas diferentes, pois cada um oferece uma resistência distinta à passagem da corrente. Essa característica é chamada de resistência elétrica. A resistência de um material pode ser calculada utilizando a seguinte expressão: R = 𝑉 𝑖 (8) Onde: R: é a resistência elétrica, em ohms (Ω); V: é a diferença de potencial (tensão), em volts (V); i: é a corrente elétrica, em amperes (A). C. Materiais Utilizados: A seguir serão descritos os materiais utilizados e o procedimento experimental realizado no experimento motor de corrente contínua. • 1 bobina retangular; • 1 fonte de alimentação DC; • Conjunto eletromagnético Kurt; • Hastes para concentração da densidade magnética com ímãs; • Conexões de fios com pinos de pressão. A bancada com os materiais utilizados durante a aula pratica está representada na figura 05. D. Procedimento Experimental e Resultados: Figura 05: Bancada com os equipamentos utilizados durante a prática Fonte: autoria própria, 2025. A prática foi realizada no laboratório de Eletricidade e Magnetismo da UFERSA (Universidade Federal Rural do Semi Árido), campus Caraúbas, RN, onde foi dirigida pelo professor doutor Zenner Silva Pereira. A aula teve início com uma explicação teórica do funcionamento o motor elétrico de corrente contínua (CC). Após explicado a teoria por trás do experimento, foi o momento de realizar a prática e observar todos os fenômenos que acontecem quando manipula os polos e a corrente do motor na qual foi utilizado. Inicialmente, foi girado a bibina (espira), com o dedo, para analisar o que aconteceria quando não se tem uma corrente aplicada ao sistema. Desse modo, pode-se observar que a bobina não continuaria a girar, mostrando que o sistema precisa de uma corrente externa aplicada para que possa estabelecer um fluxo de corrente e de interação com o seu campo magnetico (B). Após feito essa analise inicial, o sistema foi montado com os materiais representados na figura 05, de modo em que agora seria possvel passar uma corrente pelo sistema, uma vez em que foi conectado o conjunto de fios com os pinos de pressão na fonte de alimentação DC e noconjunto eletromagnetico Kurt. Cabe ressaltar que o sistema montado está representado na figura 06. Figura 06: Sistema montado a uma fonte de alimentação DC Fonte: autoria propria, 2025. Com o sistema montado, foi recomendado aplicar uma tensão inicial de 1,0 V, com um tempo maximo de 30 segundos, para que o sistema não sofresse danos. Com isso, foi observado que a bobina começou a girar no sentido anti-horario. Ao inverter os polos do sistema, ou seja, mudando a posição das hastes de concentração de densidade magnetica com imãs (a parte azul vai para baixo e a vermelha para cima), com base na figura 06, notou-se que o sentido do giro da bobina mudou, antes girava no sentido anti-horario, como foi descrito acima, e agora gira no sentido horario. Essa mudança no sentido do giro se dá por causa da interação do campo magnetico produzido pelo imã e pelo campo magnetico da bobina, onde eles interagem fazendo com que aja uma inversão do movimento da espira. Utilizando a Eq. 07, foi possivel determinar o momento dipolar da espira. Os calculos estão representado a seguir. Foi determinado tambem, antes dos calculos, que o numero de voltas da bobina era 5, a corrente aplicada era de 1 A, pois como tem uma tensão de 1 V e o sistema apresenta uma resistencia desprezivel, pode-se considerar esse valor e a área da bobina foi determinada medindo a sua base e altura, pois é um retangulo. µ = 5 ∗ 1 ∗ (0,016 ∗ 0,022) µ = 0, 00176 𝐴𝑚2 Também foi observado a polaridade do imã, onde foi visto que durante a investigação da polaridade de um ímã magnético, aplicamos novamente uma tensão de 1,0 V e analisamos os efeitos resultantes no movimento da bobina. Observamos que a inversão do campo magnético provocou uma mudança no sentido de rotação da bobina, demonstrando claramente a relação direta entre a polaridade do ímã e o torque gerado. Esse comportamento ocorre porque a polaridade do ímã magnético determina a orientação das forças geradas pelo campo magnético sobre a bobina. Quando o polo norte do ímã é invertido, o campo magnético resultante também muda de orientação, o que altera as interações entre o campo magnético do ímã e o campo gerado pela corrente elétrica na bobina. Consequentemente, o torque que age sobre a bobina se inverte, forçando-a a girar em sentido oposto. Em resumo, a mudança na polaridade do ímã modifica o alinhamento do campo magnético em relação ao sistema, influenciando diretamente o sentido de rotação da bobina e evidenciando o papel crítico da polaridade no comportamento dinâmico do sistema. Durante o funcionamento da bobina, analisamos o comportamento do circuito e identificamos que, para que a corrente contínua (DC) flua consistentemente pelo sistema, o motor precisa manter um estado de equilíbrio dinâmico entre as forças magnéticas e mecânicas. Esse equilíbrio é essencial para sustentar a rotação e garantir o funcionamento eficiente do motor. Se o sistema entrar em um estado de equilíbrio estático, no qual o torque gerado é incapaz de superar as forças resistivas (como atrito e cargas externas) e a inércia do sistema, a corrente DC não circula de forma contínua pela bobina. Nessas condições, o motor não gera movimento rotacional adequado, podendo até parar de funcionar. O movimento contínuo do motor depende da manutenção de um torque desequilibrado, suficientemente grande para superar as resistências do sistema e manter a rotação constante. Esse torque desequilibrado garante que as forças atuantes no sistema não cheguem a um ponto de compensação total, permitindo a conversão contínua de energia elétrica em energia mecânica. E. Questionamentos 1) Aplicar uma tensão DC de 1.0 V e de um leve giro inicial na bobina. Isto farà com que o sistema saia do repouso e começará a gira por si só. Nestas condições, o giro natural da bobina é horário ou anti-horário? Explique. Anti-harario. Ao aplicar uma tensão de 1,0 V, observa-se que a inversão da polaridade do ímã magnético causa uma mudança no sentido do torque gerado pela interação entre o campo magnético externo e o campo gerado pela corrente na bobina. Quando o polo norte e o polo sul são trocados, o sistema responde com a inversão da rotação da bobina, confirmando que a polaridade do ímã influencia diretamente o sentido de movimento do motor. Esse comportamento está alinhado com o descrito na atividade 4.2, onde o torque resultante e o movimento da bobina dependem da interação coerente entre os campos magnéticos e o fluxo de corrente elétrica. 2) Sabendo que a bobina tem 5 voltas, determine o vetor do momento magnetico do dipolo gerado pela bobina. µ = 5 ∗ 1 ∗ (0,016 ∗ 0,022) µ = 0, 00176 𝐴𝑚2 3) Na atividade 4.2, que condição é necessária para a corrente DC circular continuamente pela bobina? Para que a corrente contínua (DC) circule constantemente pela bobina, é necessário que o motor atinja um estado de equilíbrio dinâmico entre o torque gerado pelas forças magnéticas e as resistências mecânicas. Isso significa que o torque deve ser suficiente para superar o atrito e as forças resistivas presentes, mantendo a rotação contínua da bobina. Caso o sistema entre em um ponto de equilíbrio estático, o torque será insuficiente, interrompendo a circulação contínua da corrente e parando o movimento do motor. 4) Uma bobina quadrada de lado 5,0 cm é formada por 20 espiras e transporta uma corrente contínua de 10,0A. O campo magnético aplicado à bobina tem intensidade 0,5 T. A) Determinar a força magnética exercida em cada lado da espira. Para responder a essa questão utilizamos a seguinte equação: 𝐹 = 𝐼 ∗ 𝐿 ∗ 𝐵 𝐹 = 10 ∗ 0,05 ∗ 0,5 𝐹 = 0, 25 𝑁 Para os lados paralelos (θ = 0o), então sin 𝜃 = 0. Assim: 𝐹 = 0 𝑁 B) Determinar o vetor momento de dipolo magnético. µ = 𝐼 ∗ 𝑁 ∗ 𝐴 µ = 20 ∗ 10 ∗ (0,05 ∗ 0,05) µ = 0,5 𝐴𝑚2 5) Justifique o fato da bobina com corrente I girar quando a mesma está imersa em um campo magnético B. Fazer um desenho para mostrar os torques, forças mecânicas e magnéticas, e momentos magnéticos dipolares que participam nesse processo. A bobina gira devido à interação entre a corrente elétrica I e o campo magnético B. As forças magnéticas geradas nas laterais criam um torque τ, que faz a bobina girar. O momento magnético μ da bobina interage com B, mantendo o movimento contínuo. O equilíbrio ocorre entre as forças magnéticas, resistivas e inerciais do sistema. F. Conclusão O experimento realizado demonstrou de maneira eficaz a geração de corrente e a polaridade da bobina em um sistema de rotação induzida. A aplicação de uma tensão DC de 1,0 V provocou a rotação inicial da bobina, fazendo com que o sistema saísse do estado de repouso e começasse a girar. Foi observada a geração de uma corrente DC e a polaridade da bobina foi determinada. A bobina girou em sentido horário, conforme esperado pela configuração inicial do experimento. Com base nos cálculos realizados, foi possível determinar o valor do momento magnético de dipolo gerado pela bobina, sendo este de 0.00176 Am2. Este valor está alinhado com as previsões teóricas para uma bobina com 5 voltas. Portanto, o experimento confirmou a eficácia da metodologia utilizada para induzir a rotação na bobina e medir os parâmetros elétricos associados. Os resultados obtidos contribuem para a compreensão do comportamento de bobinas em sistemas de rotação induzida, oferecendo insights valiosos para futuras aplicações em dispositivos eletromecânicos. G. Referências [1] HAYT, W. H., KEMMERLY, J. E., DURBIN, S. M. Análise de Circuitos Elétricos. 9ª edição. McGraw Hill Brasil, 2015.[2] YOUNG, H. D.; FREEDMAN, R. A. Física III – Eletromagnetismo. 14ª edição. Pearson, 2019. [3] HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física – Volume 3: Eletromagnetismo. 12ª edição. LTC, 2021. [4] HELERBROCK, Rafael. Campo Magnético. Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/campo- magnetico.htm. Acesso em: 27 de jan. 2025.