The Last Codex
PT

Tema

Idioma

Motor elétrico

A corrente transformada em rotação

Data
1834
Época
Era industrial
Etapa
IV Ciência e indústria
Dificuldade

Prancha

Legenda
  1. 1Íman de campo (indutor)
  2. 2Enrolamento do induzido
  3. 3Comutador
  4. 4Escova
  5. 5Veio e polia
  6. 6Pilha

Anatomia

SFFN−+
Bobina do induzido; as setas abertas seguem o sentido da correnteForça F = N·B·I·L em cada lado da bobina; a seta cresce com a correnteLinhas de campo, do polo norte ao polo sulUm motor de demonstração visto de perto. Uma única bobina retangular de 100 espiras, com 70 mm de comprimento e 50 mm de largura, gira no seu veio entre um polo norte em cima e um polo sul em baixo, onde o campo é de cerca de 0,08 T. A corrente entra por duas escovas de lâmina de cobre que roçam num comutador de duas metades de cobre, cada uma ligada a uma ponta da bobina. Em cada lado comprido, a corrente atravessa o campo e recebe um empurrão lateral F = N·B·I·L. Os dois lados levam a corrente em sentidos opostos, por isso um é empurrado na sua direção e o outro para trás, e a bobina gira. Sempre que a bobina fica perpendicular ao campo, as ranhuras do comutador passam sob as escovas e a corrente inverte-se na bobina, de modo que o empurrão continua a fazê-la girar no mesmo sentido. Durante cerca de 6° de cada lado desse ponto nenhuma escova toca no cobre e não passa corrente: a bobina continua a girar por inércia. Ao girar, a bobina funciona também como gerador: produz uma tensão contrária à alimentação, a força contraeletromotriz, que cresce com a velocidade. A 6 V a bobina puxa 1,7 A no arranque e cerca de 0,5 A depois de lançada. A força contraeletromotriz é mínima quando a bobina está quase perpendicular ao campo, por isso a corrente e a força em cada lado crescem pouco antes de cada ponto morto, enquanto o binário diminui, porque o empurrão aponta então quase para o veio. Uma bobina única que pare num ponto morto não volta a arrancar sozinha; a figura roda-a então à mão. Os valores são os de um modelo escolar escolhido para a figura, e a leitura dá médias numa volta. A bobina é desenhada a girar 100 vezes mais devagar do que na realidade, e ganha ou perde velocidade 15 vezes mais devagar.

Um motor elétrico transforma a corrente em rotação: uma bobina percorrida por corrente entre os polos de um íman recebe um impulso lateral, e um comutador ou um campo girante mantém esse impulso no mesmo sentido. O motor de Moritz Jacobi, em 1834, dava muito mais potência do que todos os anteriores; hoje os sistemas acionados por motores consomem cerca de metade da eletricidade do mundo.

O que é

Um motor elétrico transforma a corrente elétrica em rotação. Move ventoinhas, bombas, elevadores, elétricos e máquinas-ferramenta. A plataforma Electric Motor Systems do programa 4E da Agência Internacional de Energia estima que os sistemas acionados por motores consumiram cerca de 53% da eletricidade mundial em 2023.

A prancha mostra um motor de corrente contínua do final do século XIX alimentado por uma pilha.

Como funciona

Um fio percorrido por corrente dentro de um campo magnético recebe um impulso lateral, perpendicular à corrente e ao campo. Numa bobina colocada entre dois polos, os dois lados compridos levam corrente em sentidos opostos: um é empurrado para cima, o outro para baixo, e a bobina roda.

Um induzido com um comutador de cobre de dois segmentos e duas escovas apoiadas em lados opostos Comutador de dois segmentos: a cada meia volta as escovas passam para a outra metade.

Sozinha, a bobina rodaria até o seu plano ficar perpendicular ao campo, oscilaria um pouco e pararia aí. O comutador impede-o. É um anel montado no veio e dividido em segmentos isolados, cada um ligado à bobina; duas escovas fixas roçam nele e trazem a corrente. Na forma mais simples, de dois segmentos, as escovas passam ao outro segmento a cada meia volta, a corrente na bobina inverte-se e o binário continua a atuar no mesmo sentido.

O induzido de uma máquina leva muitas bobinas distribuídas à volta de um tambor de ferro, cada uma ligada aos seus próprios segmentos, e assim o binário fica regular. Esse ferro é feito de chapas finas isoladas, porque num núcleo maciço circulariam correntes de Foucault que desperdiçam energia em calor. O campo vem de ímanes permanentes em muitos motores pequenos, e de eletroímanes na maioria das máquinas do século XIX, como a da prancha.

Um induzido em rotação também funciona como gerador. As suas bobinas produzem uma tensão oposta à da alimentação, a força contraeletromotriz, que cresce com a velocidade. No arranque ainda não existe, e a corrente pode ser várias vezes a de regime. À medida que o motor acelera, essa tensão sobe e a corrente desce, até o binário igualar a carga. Rodada à mão, com o campo excitado e uma carga ligada, a mesma máquina fornece corrente: motor e gerador são um só aparelho usado nos dois sentidos.

Os motores de indução, alimentados em corrente alternada, não têm comutador. Enrolamentos fixos percorridos por correntes desfasadas criam um campo magnético girante. Este induz correntes nas barras de cobre ou alumínio do rotor, que roda um pouco mais devagar do que o campo.

Como construir

O motor das aulas pede uma pilha de 1,5 V (tipo D ou AA), cerca de um metro de fio de cobre esmaltado de 0,5 a 0,8 mm, dois clipes grandes, um íman em disco de ferrite ou neodímio, um elástico forte e lixa fina.

Enrolar a bobina. Enrolar o fio 10 a 20 vezes à volta de um marcador, deixando 4 a 5 cm direitos em cada ponta. Dar duas voltas com cada ponta à volta do feixe para o prender. As duas pontas têm de sair por lados opostos, alinhadas com o centro da bobina: são o eixo.

Grande plano de um eixo de fio de cobre pousado no olhal de um clipe dobrado, com o esmalte raspado só na metade de cima do fio O comutador do motor de clipes: cobre nu em cima, esmalte por baixo; a corrente só passa durante a meia volta em que o lado nu assenta no clipe.

Fazer o comutador. Numa ponta, lixar todo o esmalte. Na outra, segurar a bobina na vertical, tal como vai ficar montada, e tirar o esmalte só da metade de cima do fio. Essa ponta conduz durante meia volta e isola durante a outra, de modo que a bobina nunca é empurrada para trás; passa a meia volta morta por inércia.

Montar os suportes. Dobrar cada clipe num suporte com um pé plano em baixo e um pequeno olhal no topo. Esticar o elástico ao comprido à volta da pilha, por cima dos dois pés, para que aperte cada clipe contra um polo. Pôr o íman no flanco da pilha, por baixo dos olhais: fica preso ao invólucro de aço. Pousar a bobina nos olhais, a poucos milímetros do íman.

Pô-lo a andar. Dar à bobina um ligeiro impulso. Se só oscilar, virá-la de ponta para ponta ou voltar a lixar o lado descarnado.

Fazer maior. Um íman mais forte dá mais binário; mais espiras também ajudam, desde que o fio mais comprido não reduza demasiado a corrente. Um motor de oficina junta várias bobinas num núcleo de ferro laminado, com um comutador de muitos segmentos e escovas com mola, como na prancha.

Segurança. Usar só uma ou duas pilhas comuns de 1,5 V: nunca a rede elétrica, uma bateria de automóvel nem uma bateria de iões de lítio. A bobina é quase um curto-circuito, e essas fontes podem dar corrente suficiente para queimar a pele, fundir o fio ou provocar um incêndio. Até uma pilha pequena aquece, quer o motor rode quer não: fazer ensaios curtos e vigiados, e desligar a pilha logo que ela ou o fio aqueçam, antes de afinar ou lixar, e no fim. Os ímanes de neodímio juntam-se com força suficiente para beliscar a pele e podem estilhaçar-se. Mantê-los longe de pacemakers e outros implantes médicos, e fora do alcance de crianças pequenas: dois ímanes engolidos podem atrair-se através da parede do intestino.

História e evolução

Um fio suspenso mergulhado numa taça de mercúrio, a rodar à volta de um íman em barra na vertical A rotação de Faraday (1821): a ponta livre do fio gira à volta do íman.

Em 1820 Hans Christian Ørsted viu a agulha de uma bússola desviar-se junto a um fio percorrido por corrente. A 3 de setembro de 1821 Michael Faraday pôs um fio mergulhado em mercúrio a girar à volta de um íman, e em 1822 Peter Barlow fez rodar uma roda em estrela entre os polos de um íman. Eram demonstrações de potência quase nula. Os campos fortes chegaram com o eletroíman, que William Sturgeon construiu em meados da década de 1820, e por volta de 1832 William Ritchie e Sturgeon construíram máquinas rotativas com comutador.

Em maio de 1834, em Königsberg, Moritz Hermann Jacobi terminou um motor com oito eletroímanes em ferradura que dava cerca de 15 watts. Esta prancha adota 1834: Faraday mostrou o princípio e a pequena máquina de Sturgeon já rodava um espeto, mas a máquina de Jacobi era muito mais potente, e nenhum outro construtor a igualou antes de 1839, aproximadamente. A patente americana de Thomas Davenport chegou em 1837.

As pilhas tornavam estes motores caros até o gerador trazer corrente barata. Em 1873 viu-se que um dínamo de Zénobe Gramme rodava como motor quando outro o alimentava. Galileo Ferraris, em Turim, estudou o campo girante a partir de 1885 e publicou em março de 1888; Nikola Tesla, que trabalhava por conta própria em Nova Iorque, obteve a patente do motor de indução a 1 de maio de 1888. Hoje, motores de ímanes permanentes comandados por eletrónica movem drones e automóveis elétricos.

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