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:

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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 campomagnético, 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 do ímã é menor que seu diâmetro, o

que faz com que o campo magnético na região imediatamente acima do pólo

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norte seja praticamente vertical – e a corrente elétrica é horizontal (direção

radial do ímã). Logo, a direção na qual aponta a força é tangencial (entrando na

folha), fazendo com que o ímã, juntamente com o parafuso, comece a girar. A

corrente elétrica gera um campo magnético circular ao seu redor, o que faz

com que interfira com um campo magnético externo, surgindo uma força

tangencial nos portadores de carga.

4. Materiais:

Parafuso;

Pilha (alcalina) de 1,5 V;

Fio de cobre (fino) de aproximadamente 20 cm de comprimento,

desencapado nas extremidades;

Um ímã de neodímio (é um pequeno ímã cilíndrico, prateado e muito

poderoso que pode ser encontrado e extraído facilmente de fones de ouvido

ou de brinquedos descartados).

Figura 3

5. Procedimentos Experimentais

Coloque o ímã de neodímio na cabeça do parafuso.

Encoste a ponta do parafuso no terminal positivo (saliência) da pilha.

Encoste uma extremidade do fio no terminal negativo da pilha e o mantenha

nessa posição, pressionando com o dedo.

Encoste levemente a outra extremidade do fio à lateral do ímã de neodímio.

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Figura 4

Uma vez fechado o circuito, as cargas elétricas fluirão radialmente pela

face superior do disco (ímã), onde existe um campo magnético

aproximadamente perpendicular. De acordo com a regra da mão-direita, a

direção da força magnética resultante será tangencial ao disco. Ela dará origem

a um torque que fará o conjunto girar em torno do eixo definido pelo parafuso

(ver figuras abaixo).

Figura 5 Figura 6

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6. Conclusão

Como qualquer outro motor elétrico, o motor homopolar é impulsionado

pela força de Lorentz. Esta força induz um binário em torno do eixo de

rotação. Como o eixo de rotação é paralelo ao campo magnético externo, não é

necessário a comutação para o condutor continuar a rodar.

Como a maioria das máquinas eletromecânica, um motor homopolar é

reversível: se o condutor está ligado mecanicamente, em seguida, ele irá

operar como um gerador homopolar, produzindo uma corrente contínua de

tensão entre os dois terminais do condutor. 

REFERÊNCIAS:

http://motoreletrico.blogspot.com.br/

http://www.wikipedia.com

http://www.dvorak.org/blog/?p=6521

http://www.evilmadscientist.com/article.php/HomopolarMotor

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