Motor Homopolar

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:

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 campo

magnético, 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