Construção de Um Motor Simples

Para construir este motor, simples mas estranho, precisa de dois ímanes verdadeiramente fortes (rare earth magnets com cerca de 10mm de diâmetro está ok, assim como barras magnéticas grandes), um condutor de cobre rígido com pelo menos 50 cm de comprimento, duas pontas condutoras com terminações em pontas de crocodilo, uma pilha de 6V, duas latas de refrigerante, dois bocados de madeira, um bocado de fita cola e um prego/taxa afiado.

Faça uma bobina a partir do bocado de cobre rígido, de modo a que ela não precise de nenhum suporte externo. Dê 5 a 20 voltas em círculos de aproximadamente 20 mm de diâmetro, e termine de forma a que as pontas apontem, radialmente para fora, em direcções opostas. Estas pontas formarão ambas o eixo e os contactos. Se o fio tiver verniz ou isolante em PVC, descarne-o nas pontas.
Os suportes para o eixo podem ser feitos de alumínio, de forma a que façam contacto eléctrico. Por exemplo buracos feitos numa lata de refrigerante com um clip, como mostrado. Posicione os dois ímanes, norte para sul, de forma a que estes passem através da bobina nos ângulos certos em relação aos eixos. Ponha fita cola ou cole os ímanes nos bocados de madeira (não mostrado na figura) para os manter com a altura certa, e depois movimente os bocados de madeira de modo a que fiquem na posição correcta, muito perto da bobina. Faça rodar a bobina de início de forma a que o fluxo magnético através da bobina seja zero, como mostrado na figura.

Uma realização alternativa de um motor simples.
Agora vá buscar a bateria e os dois fios condutores com pontas de crocodilo. Ligue os dois terminais da bateria aos dois suportes metálicos da bobina e ela deverá rodar.
Repare que este motor tem, pelo menos, um “ponto morto”: Ele parará frequentemente na posição onde não há torque na bobina. Não o deixe ligado muito tempo: ele descarregará a bateria muito rapidamente.
O número óptimo de voltas/espiras da bobina depende da resistência interna da bateria, da qualidade do suporte dos contactos e do tipo de fio, pelo que deverá experimentar com vários valores diferentes.
Como referido anteriormente, isto é também um gerador, mas muito ineficiente. Para criar uma maior fem, utilize mais espiras (pode ter de usar fio mais fino e uma moldura sobre o qual o enrolar). Pode usar um berbequim para o enrolar mais rapidamente, como mostrado no sketch anterior. Utilize um osciloscópio para observar a fem gerada. É AC ou DC?
Este motor não tem o anel dividido em partes, então porque trabalhará em DC? Pondo as coisas de forma simples, se ele fosse rigorosamente simétrico, não trabalharia. Contudo, se a corrente for ligeiramente mais baixa num semiciclo do que no outro, então o torque médio não será igual a zero e, porque ele roda razoavelmente rápido, o momento angular adquirido durante o semiciclo com corrente maior empurra-o durante o semiciclo em que o torque é de direcção oposta. Pelo menos duas coisas podem originar a assimetria. Mesmo que os fios tenham sido enrolados de forma rigorosa, a resistência de contacto não será mesmo igual. Por outro lado, a própria rotação faz com que o contacto seja intermitente, pelo que se houver ressaltos maiores durante uma fase, esta assimetria é suficiente. Em princípio, poderia até descarnar os fios de forma a que a corrente seja zero durante um semiciclo.
Para uma construção de um motor ainda mais simples e fácil de compreender, veja artigo posterior (motor homopolar).

Força Contra Electromotriz (F.C.E.M.)

Como as duas animações dos dois artigos, desta série, anteriores mostraram, os motores e geradores DC podem ser uma e a mesma coisa. Por exemplo, os motores dos comboios tornam-se geradores quando o comboio está a travar: eles convertem energia mecânica/cinética em energia eléctrica e colocam potência de volta na rede eléctrica. Recentemente, um conjunto de fabricantes começou a construir os motores de carros de forma racional. Nesses carros, os motores eléctricos utilizados para fazer andar o carro são também utilizados para carregar as baterias quando o carro está a parar – é a chamada travagem regenerativa.
Eis pois um interessante corolário. Todo o motor é um gerador. Isso é verdade, em certo sentido, mesmo quando funciona como motor. A fem que um motor gera e chamada de força contra electromotriz (fcem). Esta fcem cresce com a velocidade, devido à lei de Faraday. Então, se o motor não tem carga, ele roda com alta velocidade até que a fcem, mais a queda de tensão devido a perdas, iguala a tensão de alimentação. A fcem pode ser imaginada como um ‘regulador’: ela faz com que o motor não rode com velocidade infinita (poupando, com isso, um certo embaraço aos físicos). Quando o motor tem carga, então a fase da tensão torna-se próxima da da corrente (fica a parecer-se mais resistiva) e esta aparente resistência dá-nos uma tensão. Então, a fcem necessária é menor, e o motor roda mais devagar. (Para adicionar a fcem, que é indutiva, a um componente resistivo, temos de ter tensões que estão desfasadas, como aprendemos no estudo dos circuitos AC).

As Bobinas geralmente têm Núcleos

Na prática, (e ao contrário dos diagramas que desenhámos), os geradores e motores DC possuem, em geral, um núcleo de alta pearmibilidade magnética no interior da bobina. Dessa forma os elevados campos magnéticos podem ser gerados por correntes relativamente pequenas. Isso é mostrado na figura abaixo, à esquerda, na qual os estatores (as partes magnéticas que não se movem) são ímanes permanentes.

Motores Universais

Os ímanes do estator, também, podem ser feitos como electroímanes, como mostrado acima, à direita. Os dois estatores são rasgados no mesmo sentido de forma a formarem um campo no mesmo sentido e o rotor fica com um campo que se inverte duas vezes em cada ciclo porque está ligado a escovas, que neste desenho não aparecem. Uma vantagem de ter estatores rasgados é que assim podemos fazer um motor que funciona alimentado a AC ou DC, um chamado motor universal. Quando o alimenta com AC, a corrente na bobina muda duas vezes em cada ciclo (para além das mudanças devidas às escovas), mas a polaridade dos estatores mudam também nos mesmos instantes, e por isso essas mudanças cancelam-se mutuamente. (Infelizmente, contudo, há ainda as escovas, mesmo tendo em atenção que não aparecem no desenho). Para verificar as vantagens e desvantagens dos ímanes permanentes versus os estatores rasgados, veja um dos artigos posteriores).

ALTERNADOR

Se quisermos antes um gerador de corrente alternada (AC), ou alternador, não precisamos da rectificação. Por isso, não precisamos do anel dividido em partes (isso é bom porque os anéis divididos em partes podem originar faíscas, ozono, rádio interferências e maior desgaste. Aliás, se se pretender um gerador DC, o melhor, muitas das vezes, é usar um alternador e rectificar depois a tensão com díodos).
Na animação seguinte, as duas escovas estão em contacto com dois anéis contínuos (inteiriços), e assim os dois terminais exteriores estão sempre ligados às mesmas extremidades da bobina. O resultado disso é a f.e.m. criada ser não rectificada, sinusoidal, e de valor igual a NBAω.senωt, que é mostrada na animação seguinte.

Isto é um gerador AC. As vantagens dos geradores AC e DC, um relativamente ao outro, são comparadas mais à frente (num outro artigo). Vimos anteriormente (em artigo anterior) que um motor DC é também um gerador DC. De forma idêntica um alternador é também um motor AC. Contudo, trata-se de um motor muito pouco flexível, por isso não muito utilizado.